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Articulo de referencia

Enzima limitada por difusión

Distribución de las velocidades catalíticas enzimáticas conocidas ( kcat / KM ) . La mayoría de las enzimas tienen una velocidad cercana a 10⁵ s⁻¹ M⁻¹ . Las enzimas más rápidas ...

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Distribución de las velocidades catalíticas enzimáticas conocidas ( kcat / KM ) . La mayoría de las enzimas tienen una velocidad cercana a 10⁵ s⁻¹ M⁻¹ . Las enzimas más rápidas , representadas en el recuadro oscuro de la derecha (>10⁸ 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 con tal eficiencia que la etapa 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 dichas enzimas está determinada por la reacción controlada por difusión , representa una restricción física intrínseca para la evolución (una altura máxima en el paisaje de aptitud ). Las enzimas perfectas limitadas por difusión son muy raras. La mayoría de las enzimas catalizan sus reacciones a una velocidad entre 1000 y 10 000 veces menor 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 fue de 10 9 M −1 s −1 .

En 1972, se observó que en la deshidratación de H₂CO₃ catalizada por la anhidrasa carbónica , la constante de velocidad de segundo orden obtenida experimentalmente fue de aproximadamente 1,5 × 10¹⁰ M⁻¹ s⁻¹ , [ 5 ] que era un orden de magnitud mayor que el límite superior estimado por Alberty, Hammes y Eigen basándose en un modelo simplificado. [ 3 ] [ 4 ]

Para abordar esta paradoja, Kuo-Chen Chou y sus colaboradores propusieron un modelo que tiene en cuenta el factor espacial y el factor de campo de fuerza entre la enzima y su sustrato, y encontraron 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 hallado por Chou et al. para la reacción enzima-sustrato fue discutido y analizado con mayor detalle mediante una serie de estudios posteriores. [ 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 , kcat / Km , del orden de 10⁸ a 10⁹ M⁻¹s⁻¹ . La velocidad de la reacción catalizada por la enzima está limitada por la difusión , por lo que la enzima "procesa" el sustrato mucho antes de que este encuentre otra molécula. [ 1 ]

Algunas enzimas operan con una cinética más rápida que las tasas de difusión, lo que parecería imposible. Se han propuesto varios mecanismos para explicar este fenómeno. Se cree que algunas proteínas aceleran la catálisis atrayendo su sustrato y preorientándolo mediante campos eléctricos dipolares. Otros recurren a una explicación de tunelización cuántica , según la cual un protón o un electrón puede atravesar barreras de activación. Aunque la teoría de la tunelización de protones sigue siendo controvertida, [ 15 ] [ 16 ] se ha sugerido que es el único mecanismo posible en el caso de la lipoxigenasa de soja. [ 17 ]

Evolución

No existen muchas enzimas cinéticamente perfectas. Esto puede explicarse en términos de selección natural . Un aumento en la velocidad catalítica puede ser favorecido, ya que podría conferir alguna ventaja al organismo. Sin embargo, cuando la velocidad catalítica supera la velocidad de difusión (es decir, la entrada y salida de sustratos del sitio activo, y también el encuentro con otros sustratos), ya no hay ventaja en aumentar aún más la velocidad. El límite de difusión representa una restricción física absoluta para 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 paisaje de aptitud . Por consiguiente, estas enzimas perfectas deben haber surgido por una mutación aleatoria "afortunada" que se propagó, o porque la mayor velocidad fue útil en algún momento como parte de una reacción diferente en el linaje de la enzima.

Ejemplos

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 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". Biochemistry . 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. 1 2 3 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. 1 2 3 Eigen, Manfred; Hammes, Gordon G. (2006). "Pasos elementales en las reacciones enzimáticas (estudiados mediante espectrometría de relajación)". En Nord, FF (ed.). Avances en enzimología y áreas relacionadas de la biología molecular . Avances en enzimología y temas relacionados de bioquímica. Vol. 25. pp. 1–38 . doi : 10.1002/9780470122709.ch1 . ISBN   978-0-470-12270-9. OCLC 777630506 . PMID 14149678 .  
  5. 1 2 Koenig, Seymour H.; Brown, Rodney D. (1972). "H 2 CO 3 como sustrato para la anhidrasa carbónica en la deshidratación de HCO 3 − " . 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 velocidad de las reacciones controladas por difusión de las 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". 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). "Unión cooperativa de nicotinamida-adenina dinucleótido 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). "Función 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. Bibcode : 1982JAChS.104.1409C . doi : 10.1021/ja00369a043 .
  12. ↑ Payens, TAJ (1983). "¿Por qué las enzimas son tan grandes?". 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). "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". 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). "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 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. Bibcode:2004JAChS.126.2820O. 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.