stringtranslate.com

Enzima de difusión limitada

La distribución de tasas catalíticas enzimáticas conocidas ( k cat /KM ) . La mayoría de las enzimas tienen una velocidad de alrededor de 10 5 s −1 M −1 . Las enzimas más rápidas en el cuadro 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 de difusión limitada cataliza una reacción con tanta eficacia que el paso limitante de la velocidad es la difusión del sustrato hacia el sitio activo o la difusión del producto hacia afuera. [2] Esto también se conoce como perfección cinética o perfección catalítica . Dado que la velocidad de catálisis de tales enzimas está determinada por la reacción controlada por difusión , representa una limitación física intrínseca a la evolución (una altura máxima máxima en el panorama del fitness ). Las enzimas perfectas de difusión limitada 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 coloreado 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 fue 10 9 M −1 s −1 .

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

Para abordar tal paradoja, Kuo-Chen Chou y sus compañeros de trabajo 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 velocidades de reacción sorprendentemente altas en biología molecular. [5] [9] [10]

El nuevo límite superior encontrado por Chou et al. para la reacción enzima-sustrato se discutió y analizó 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. papel. [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 enzima está limitada por la difusión , por lo que la enzima "procesa" el sustrato mucho antes de que encuentre otra molécula. [1]

Algunas enzimas operan con una cinética que es más rápida que la velocidad de difusión, lo que parecería imposible. Se han invocado varios mecanismos para explicar este fenómeno. Se cree que algunas proteínas aceleran la catálisis al atraer su sustrato y preorientarlo mediante el uso de campos eléctricos dipolares. Algunos invocan una explicación de túnel mecánico-cuántico mediante la cual un protón o un electrón pueden atravesar barreras de activación. Si bien la teoría del túnel de protones sigue 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

Vale la pena señalar que no existen muchas enzimas cinéticamente perfectas. Esto puede explicarse en términos de selección natural . Puede favorecerse un aumento de la velocidad catalítica, 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 encuentran sustratos), no hay más ventaja en aumentar la velocidad aún más. El límite de difusión representa una restricción física absoluta sobre 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 fitness . 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 necesaria ]

Ejemplos

Ver 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 dan forma a 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 ed.). págs. 491–526. ISBN 978-0716787242.
  3. ^ abc Alberty, Robert A.; Hammes, Gordon G. (1958). "Aplicación de la teoría de reacciones controladas por difusión a la cinética enzimática". Revista de Química Física . 62 (2): 154–9. doi :10.1021/j150560a005.
  4. ^ abc Eigen, Manfred; Hammes, Gordon G. (2006). "Pasos elementales en reacciones enzimáticas (según lo estudiado por espectrometría de relajación)". En Nord, FF (ed.). Avances en Enzimología y Áreas Afines 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.; Marrón, Rodney D. (1972). "H2CO3 como sustrato de 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. Código bibliográfico : 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 velocidad de reacciones de enzimas controladas por difusión. Factor espacial y factor de campo de fuerza". Ciencia Sínica . 27 (5): 664–80. PMID  4219062.
  7. ^ Chou, Kuo-Chen (1976). "La cinética de la reacción de combinación entre enzima y sustrato". Ciencia Sínica . 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 los sistemas de reacción enzima-sustrato. I. Sustratos neutros". Ciencia Sínica . 19 (1): 117–36. PMID  1273571.
  9. ^ Riggs, Arthur D; Burguesa, 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 de nicotinamida-adenina dinucleótido a gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa de levadura". Revista de biología molecular . 58 (1): 29–50. doi :10.1016/0022-2836(71)90230-0. PMID  4326080.
  11. ^ Chou, Kuo Chen; Zhou, Guo Ping (1982). "Papel de la proteína fuera del sitio activo en la reacción de enzimas controlada por difusión". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 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. ^ García-Viloca, M; Gao, Jiali; Karplus, Martín; Truhlar, Donald G (2004). "Cómo funcionan las enzimas: análisis mediante la teoría de tasas moderna y simulaciones por computadora". Ciencia . 303 (5655): 186–95. Código Bib : 2004 Ciencia... 303.. 186G. doi : 10.1126/ciencia.1088172. PMID  14716003. S2CID  17498715.
  16. ^ Olsson, Mats HM; Siegbahn, PerEM; Warshel, Arieh (2004). "Simulaciones del efecto de isótopos cinéticos grandes y la dependencia de la temperatura de la transferencia de átomos de hidrógeno en la lipooxigenasa". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 126 (9): 2820–8. doi :10.1021/ja037233l. PMID  14995199.
  17. ^ Jevtic, S; Anders, J (2017). "Un modelo de tasa cuántica cualitativa para la transferencia de hidrógeno en la lipoxigenasa de soja". La Revista de Física Química . 147 (11): 114108. arXiv : 1612.03773 . Código Bib :2017JChPh.147k4108J. doi : 10.1063/1.4998941. PMID  28938801. S2CID  11202267.
  18. ^ Domnik, Lilith; Merrouch, Meriem; Goetzl, Sebastián; Jeoung, Jae-Hun; Léger, Christophe; Dementin, Sébastien; Fourmond, Vicente; Dobbek, Holger (27 de noviembre de 2017). "CODH-IV: una CO deshidrogenasa eliminadora de CO de alta eficiencia con resistencia al O2" (PDF) . Edición internacional Angewandte Chemie . 56 (48): 15466–15469. doi :10.1002/anie.201709261. ISSN  1521-3773. PMID  29024326.