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Enzima de difusión limitada

Distribución de las tasas catalíticas enzimáticas conocidas ( k cat / K M ). La mayoría de las enzimas tienen una tasa de alrededor de 10 5 s −1 M −1 . Las enzimas más rápidas en el recuadro oscuro de la derecha (>10 8 s −1 M −1 ) están limitadas por el límite de difusión. (Datos adaptados de la referencia [1] )

Una enzima limitada por difusión cataliza una reacción de manera tan eficiente que el paso limitante de la velocidad es el de la difusión del sustrato hacia el sitio activo o la difusión del producto hacia el exterior. [2] Esto también se conoce como perfección cinética o perfección catalítica . Dado que la velocidad de catálisis de dichas enzimas está determinada por la reacción controlada por difusión , representa una restricción física intrínseca a la evolución (una altura máxima de pico en el panorama de aptitud ). Las enzimas perfectas limitadas por difusión son muy raras. La mayoría de las enzimas catalizan sus reacciones a una velocidad que es entre 1.000 y 10.000 veces más lenta que este límite. Esto se debe tanto a las limitaciones químicas de las reacciones difíciles como a las limitaciones evolutivas de que velocidades de reacción tan altas no confieren ninguna aptitud adicional . [1]

Historia

Una ilustración para mostrar (a) el modelo de Alberty-Hammes-Eigen, y (b) el modelo de Chou, donde E denota la enzima cuyo sitio activo está coloreado en rojo, mientras que el sustrato S está en azul.

La teoría de la reacción controlada por difusión fue utilizada originalmente por RA Alberty, Gordon Hammes y Manfred Eigen para estimar el límite superior de la reacción enzima-sustrato. [3] [4] Según su estimación, [3] [4] el límite superior de la reacción enzima-sustrato era 10 9 M −1 s −1 .

En 1972, se observó que en la deshidratación de H 2 CO 3 catalizada por la anhidrasa carbónica , la constante de velocidad de segundo orden obtenida experimentalmente fue de aproximadamente 1,5 × 10 10 M −1 s −1 , [5] que fue un orden de magnitud mayor que el límite superior estimado por Alberty, Hammes y Eigen con base en un modelo simplificado. [3] [4]

Para abordar esta paradoja, Kuo-Chen Chou y sus colaboradores propusieron un modelo teniendo en cuenta el factor espacial y el factor de campo de fuerza entre la enzima y su sustrato y descubrieron que el límite superior podría alcanzar 10 10 M −1 s −1 , [6] [7] [8] y puede usarse para explicar algunas tasas de reacción sorprendentemente altas en biología molecular. [5] [9] [10]

El nuevo límite superior encontrado por Chou et al. para la reacción enzima-sustrato fue discutido y analizado más a fondo mediante una serie de estudios de seguimiento. [11] [12] [13]

En el artículo se elaboró ​​una comparación detallada entre el modelo simplificado de Alberty-Hammes-Eigen ( a ) y el modelo de Chou ( b ) para calcular la velocidad de reacción controlada por difusión de la enzima con su sustrato, o el límite superior de la reacción enzima-sustrato. [14]

Mecanismo

Las enzimas cinéticamente perfectas tienen una constante de especificidad , k cat / K m , del orden de 10 8 a 10 9 M −1 s −1 . La velocidad de la reacción catalizada por la enzima está limitada por la difusión y, por lo tanto, la enzima "procesa" el sustrato mucho antes de que se encuentre con otra molécula. [1]

Algunas enzimas funcionan con cinéticas más rápidas que las velocidades de difusión, lo que parecería imposible. Se han invocado varios mecanismos para explicar este fenómeno. Se cree que algunas proteínas aceleran la catálisis atrayendo su sustrato y preorientándolo mediante campos eléctricos dipolares. Algunos invocan una explicación de efecto túnel mecánico cuántico según la cual un protón o un electrón puede atravesar barreras de activación. Si bien la teoría del efecto túnel de protones siguió siendo una idea controvertida, [15] [16] se ha demostrado que es el único mecanismo posible en el caso de la lipoxigenasa de soja. [17]

Evolución

No hay muchas enzimas cinéticamente perfectas. Esto se puede explicar en términos de selección natural . Un aumento en la velocidad catalítica puede verse favorecido ya que podría conferir alguna ventaja al organismo. Sin embargo, cuando la velocidad catalítica supera la velocidad de difusión (es decir, los sustratos que entran y salen del sitio activo, y también se encuentran con sustratos), no hay más ventaja en aumentar la velocidad aún más. El límite de difusión representa una restricción física absoluta en la evolución. [1] Aumentar la velocidad catalítica más allá de la velocidad de difusión no ayudará al organismo de ninguna manera y, por lo tanto, representa un máximo global en un panorama de adaptación . Por lo tanto, estas enzimas perfectas deben haber surgido por una mutación aleatoria "afortunada" que se extendió, o porque la velocidad más rápida alguna vez fue útil como parte de una reacción diferente en la ascendencia de la enzima. [ cita requerida ]

Ejemplos

Véase también

Referencias

  1. ^ abcd Bar-Even, Arren; Noor, Elad; Savir, Yonatan; Liebermeister, Wolfram; Davidi, Dan; Tawfik, Dan S; Milo, Ron (2011). "La enzima moderadamente eficiente: tendencias evolutivas y fisicoquímicas que configuran los parámetros enzimáticos". Bioquímica . 50 (21): 4402–10. doi :10.1021/bi2002289. PMID  21506553.
  2. ^ Berg, Jeremy M.; Tymoczko, JL; Stryer, L. (2006). "Fosforilación oxidativa". Bioquímica (5.ª ed.). Macmillan. págs. 491–526. ISBN 978-0716787242.
  3. ^ abc Alberty, Robert A.; Hammes, Gordon G. (1958). "Aplicación de la teoría de las reacciones controladas por difusión a la cinética enzimática". Journal of Physical Chemistry . 62 (2): 154–9. doi :10.1021/j150560a005.
  4. ^ abc Eigen, Manfred; Hammes, Gordon G. (2006). "Pasos elementales en las reacciones enzimáticas (tal como se estudian mediante espectrometría de relajación)". En Nord, FF (ed.). Avances en enzimología y áreas relacionadas de la biología molecular . Vol. 25. págs. 1–38. doi :10.1002/9780470122709.ch1. ISBN 978-0-470-12270-9. OCLC  777630506. PMID  14149678. {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )
  5. ^ ab Koenig, Seymour H.; Brown, Rodney D. (1972). "H2CO3 como sustrato para la anhidrasa carbónica en la deshidratación de HCO3−". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 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). "Estudios sobre la tasa de reacciones controladas por difusión de enzimas. Factor espacial y factor de campo de fuerza". Scientia Sinica . 27 (5): 664–80. PMID  4219062.
  7. ^ Chou, Kuo-Chen (1976). "La cinética de la reacción de combinación entre enzima y sustrato". Scientia Sinica . 19 (4): 505–28. PMID  824728.
  8. ^ Li, TT; Chou, KC (1976). "Las relaciones cuantitativas entre la velocidad de reacción controlada por difusión y los parámetros característicos en sistemas de reacción enzima-sustrato. I. Sustratos neutros". Scientia Sinica . 19 (1): 117–36. PMID  1273571.
  9. ^ Riggs, Arthur D; Bourgeois, Suzanne; Cohn, Melvin (1970). "La interacción represor-operador lac". Revista de Biología Molecular . 53 (3): 401–17. doi :10.1016/0022-2836(70)90074-4. PMID  4924006.
  10. ^ Kirschner, Kasper; Gallego, Ernesto; Schuster, Inge; Goodall, David (1971). "Unión cooperativa del dinucleótido de nicotinamida-adenina a la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa de levadura". 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). "El papel de la proteína fuera del sitio activo en la reacción controlada por difusión de las enzimas". Journal of the American Chemical Society . 104 (5): 1409–1413. doi :10.1021/ja00369a043.
  12. ^ Payens, TAJ (1983). "¿Por qué las enzimas son tan grandes?". Tendencias en Ciencias Bioquímicas . 8 (2): 46. doi :10.1016/0968-0004(83)90382-1.
  13. ^ Zhou, Guozhi; Wong, Ming-Tat; Zhou, Guo-Qiang (1983). "Reacciones de enzimas controladas por difusión". Química biofísica . 18 (2): 125–32. doi :10.1016/0301-4622(83)85006-6. PMID  6626685.
  14. ^ Zhou, Guo-Qiang; Zhong, Wei-Zhu (1982). "Reacciones de enzimas controladas por difusión". Revista Europea de Bioquímica . 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). "Cómo funcionan las enzimas: análisis mediante la teoría de velocidad moderna y simulaciones por computadora". Science . 303 (5655): 186–95. Bibcode :2004Sci...303..186G. doi :10.1126/science.1088172. PMID  14716003. S2CID  17498715.
  16. ^ Olsson, Mats HM; Siegbahn, Per EM; Warshel, Arieh (2004). "Simulaciones del efecto de isótopos cinéticos grandes y la dependencia de la temperatura de la transferencia de átomos de hidrógeno en lipooxigenasa". Revista de la Sociedad Química Americana . 126 (9): 2820–8. doi :10.1021/ja037233l. PMID  14995199.
  17. ^ Jevtic, S; Anders, J (2017). "Un modelo de tasa cuántica cualitativo para la transferencia de hidrógeno en la lipoxigenasa de soja". 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 (27 de noviembre de 2017). "CODH-IV: una deshidrogenasa de CO de alta eficiencia que elimina CO con resistencia al O2" (PDF) . Angewandte Chemie International Edition . 56 (48): 15466–15469. doi :10.1002/anie.201709261. ISSN  1521-3773. PMID  29024326.