Metalų kofaktoriai ir biologinė katalizė

Metalo vaidmuo priklauso nuo aktyviojo centro

Metalofermentas turi metalą, būtiną aktyviai biologinei funkcijai. Metalas gali padėti prisijungti ar poliarizuoti substratą, organizuoti ligandus, dalyvauti krūvio pernašoje ar stabilizuoti reaguojančią konfigūraciją. Aplinkinis baltymas ir tirpiklio tinklas taip pat prisideda prie prieigos, geometrijos ir protonų pernašos. Metalo buvimas be funkcinio aktyviojo centro neįrodo katalizinio aktyvumo.

Žmogaus karboanhidrazėje II pasirinkti pirmosios koordinacinės sferos Zn donorai yra His 94, His 96, His 119 ir iš tirpiklio kilęs O. His 64 dalyvauja protonų pernašoje per aplinkinę terpę; jis nėra ketvirtas pirmosios sferos histidino Zn donoras. Struktūriniai stebėjimai yra momentiniai vaizdai tirtomis sąlygomis, o ne visa fiziologinė laiko seka.

Karboanhidrazės nėra visur tas pats Zn baltymas. Jūrinių titnagdumblių pavyzdžiai, galintys naudoti kadmį ir cinką, rodo, kodėl senesnis aprašas, teigiantis, kad visos turi cinką arba yra tik trys klasės, yra per siauras. Nurodykite įvardytą fermentą ir organizmą, o ne perkelkite žmogaus CAII pirmąją sferą kiekvienai šeimai.

Oksidacijos laipsnio nekeičiantis metalas gali padėti rūgštinei-bazinei chemijai

Sujungus CO₂ hidrataciją su rūgšties disociacija gaunama CO₂+H₂O⇌HCO₃⁻+H⁺. Abiejose pusėse yra C₁H₂O₃, o bendrasis krūvis lygus nuliui. Vienam pasirinktam tiesioginės suminės reakcijos įvykiui susidaro vienas hidrokarbonatas ir vienas protonas. Atvirkštinė kryptis išlieka galima; katalizatorius nekeičia bendros standartinės reakcijos Gibso energijos.

Su Zn susijungusio vandens ir hidroksido modelis padeda paaiškinti nukleofilinį ir protonų pernašos indėlį žmogaus CAII. Pasirinkti užbaigti akva- ir hidroksokompleksų fragmentai išlaiko Zn +2, d¹⁰, o ligando protonavimas kinta. Baltymo protonų pernašos tinklas ir tirpiklio papildymas užbaigia platesnį vaizdą. Išlyginta suminė reakcija nereiškia, kad vien laisvasis hidroksidas suteikia visą molekulinį mechanizmą ar kad Zn oksiduojamas per kiekvieną įvykį.

Redokso kofaktorius gali grįžti į pradinę būseną

Superoksido dismutazė katalizuoja 2O₂•⁻+2H⁺→O₂+H₂O₂. Pasirinkta formalioji Cu apskaita padalija suminę reakciją į Cu(II)+O₂•⁻→Cu(I)+O₂ ir Cu(I)+O₂•⁻+2H⁺→Cu(II)+H₂O₂. Sudėjus abu žingsnius Cu būsenos susiprastina. Suminėje reakcijoje išlieka keturi O atomai, du H atomai ir nulinis bendrasis krūvis.

Cu(I)/Cu(II) žymenys čia seka metalo indėlį, praleidžiant aplinkinius ligandus; tai nėra pilni laisvųjų jonų fiziologiniai reagentai. Zn(II) įvardytoje Cu, Zn SOD aplinkoje gali veikti geometriją, elektroninį derinimą ir katalizinį pajėgumą pats nekeisdamas oksidacijos laipsnio. Vadinimas struktūriniu nereiškia, kad jis neturi katalizinės įtakos.

Kitos biologinės SOD šeimos naudoja Mn, Fe arba Ni su sava baltymine aplinka. EC suminės reakcijos klasifikacija nenustato vienos struktūros ar viso elementariojo mechanizmo. H₂O₂ lieka chemiškai svarbus produktas, kuriam reikia tolesnio ląstelinio apdorojimo; dismutacija neįrodo, kad visas reaktyviųjų deguonies formų poveikis išnyko.

Įsotinamoji greičio lygtis turi nurodytas sąlygas

Pasirinktiniam gilesniam išgalvotam vieno substrato modeliui naudokite v₀=k_cat[E]_T[S]/(K_m +[S]). v₀ yra pradinis produkto susidarymo greitis tūrio vienetui, [E]_T – nurodyta aktyviojo fermento medžiagos kiekio koncentracija, o k_cat – atvirkštinio laiko ribinis koeficientas vienam fermentui pagal šį modelį. Tarkite, kad temperatūra ir pH palaikomi, substrato yra perteklius, pradiniu laikotarpiu ES yra stacionarus, o atvirkštinė reakcija ir slopinimas produktu nereikšmingi.

Pasirinkite k_cat=40.0 s⁻¹, [E]_T=0.0200 μmol L⁻¹ ir K_m=20.0 μmol L⁻¹. Ribinis greitis yra 0.800 μmol L⁻¹ s⁻¹. Kai [S]=20.0, pradinis greitis 0.400 μmol L⁻¹ s⁻¹; kai 80.0 – jis 0.640. Greitis vienam nurodytam fermentui esant šioms dviem substrato koncentracijoms yra 20.0 arba 32.0 s⁻¹.

Tai mokomosios įvestys, o ne išmatuoti žmogaus CAII ar SOD parametrai. Keli mechanizmai gali duoti hiperbolinę priklausomybę. Vien kreivė neįrodo vienos fermento struktūros, mechanizmo ar aktyviosios dalies išmatuotoje visų baltymų atsargoje. Pradinio greičio prielaidos taip pat skiriasi nuo visos partijos produkto kaupimosi modelio.

Kinetinis pusės greičio parametras nebūtinai yra jungimosi konstanta

Pasirinktai paprastai schemai E+S⇌ES→E+P imkite asociacijos koeficientą k_on=2.00×10⁶ L mol⁻¹ s⁻¹, disociacijos koeficientą k_off=20.0 s⁻¹ ir produkto susidarymo koeficientą k_chem=40.0 s⁻¹. Jungimosi disociacijos parametras yra K_d=k_off/k_on=10.0 μmol L⁻¹. Pagal nurodytą stacionariosios būsenos modelį K_m=(k_off +k_chem)/k_on=30.0 μmol L⁻¹.

Šiame atskirame mokomajame modelyje jie skiriasi tris kartus. K_m artėja prie jungimosi K_d tik papildomomis sąlygomis, pavyzdžiui, kai šioje schemoje produkto koeficientas pakankamai mažas, palyginti su disociacija. Paprastai tai koncentracijos parametras ties puse ribinio greičio, kai galioja greičio dėsnis, o ne automatinis afiniteto matavimas.

Taigi kataliziniam greičiui, pusiausvyros jungimuisi, stebėtam aktyvumui ir biologinei funkcijai reikia savų apibrėžčių bei įrodymų. Metalo kiekio padidinimas ar greičio pokytis savaime nepatvirtina, kad numatyta kofaktoriaus vieta atkurta ar kad pagerėjo fiziologinis rezultatas.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Pradinio greičio mokomajame modelyje naudokite substratą 5.00 μmol L⁻¹. Raskite v₀ ir v₀/[E]_T.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   0.160 μmol L⁻¹ s⁻¹;8.00 s⁻¹.

   Substrato dalis 5/(20+5)=0.200 dauginama iš 0.800; padalijus iš 0.0200 fermento gaunama 8.00.

2. Naujame mokomajame modelyje su tuo pačiu asociacijos koeficientu, k_off=20.0 s⁻¹ ir k_chem=20.0 s⁻¹ raskite K_d ir K_m.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   K_d=10.0 μM; K_m=20.0 μM.

   Disociacijai naudojama 20/(2×10⁶); stacionariosios būsenos K_m naudoja (20+20)/(2×10⁶).

3. Ar His 64 yra ketvirtas pirmosios sferos Zn histidino donoras įvardytame žmogaus CAII modelyje?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Trys įvardyti histidinai jungiasi su Zn; tirpiklio O yra ketvirtas donoras, o His 64 prisideda prie protonų pernašos.

4. Ar tai, kad SOD gamina H₂O₂, reiškia, kad visas reaktyviųjų deguonies formų poveikis pašalintas?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Peroksido produktas turi savą chemiją ir tolesnį ląstelinį apdorojimą; išlyginta suminė katalizinė reakcija yra ribotas teiginys.

Ką verta įsidėmėti

• Įvardykite fermentą, aktyviojo centro kontekstą ir suminę reakciją.
• Oksidacijos laipsnio nekeičiantis metalas gali padėti rūgštinei-bazinei katalizei.
• Redokso kofaktorius gali būti regeneruojamas.
• Pradinio greičio kreivėms reikia jų nurodytų prielaidų.
• Atskirkite K_m nuo jungimosi K_d.