Kofaktoriai, kofermentai ir reakcijų chemija

Įvardykite vaidmenį konkrečioje reakcijoje

Fermentui gali reikėti nebaltyminio partnerio. 2023 m. IUBMB terminija skiria kofaktorių, atkuriamą iki jo katalizinio ciklo pabaigos, nuo kosubstrato, kuris būdamas reakcijos dalyviu pakeičiamas. Junginio vaidmuo skirtingose reakcijose gali skirtis; vien pavadinimas nenustato, ar pasirinktoje suminėje reakcijoje jo atsarga sunaudojama.

Senesniuose šaltiniuose „kofermentas“ ir „prostetinė grupė“ vartojami platesnėmis reikšmėmis. 2023 m. terminijoje pirmenybė teikiama kofaktoriaus ir kosubstrato aprašams, išlaikant nusistovėjusius pavadinimus, tokius kaip kofermentas A. Skaitydami skirtingus šaltinius nustatykite tikrąjį vaidmenį ir apibrėžtį, o ne manykite, kad visi terminai reiškia tą patį.

Taip pat reikia kruopščiai skirti fermento katalizei būtiną partnerį ir laisvai prisijungiantį aktyvinantį ligandą. Toliau pateiktas paprastas jungimosi pavyzdys yra aiškiai sutartas vienos jungimosi vietos aktyvinimo modelis; jis nenustato tikro metalo poreikio, fermento tapatybės ar visuotinės apo-/holo- klasifikacijos.

Atkuriamų ir sunaudojamų atsargų apskaita skiriasi

Įsivaizduokite fermento preparatą, kuriame yra 0.0300 μmol aktyvių fermento dalelių, kiekviena su vienu atkuriamu prisijungusiu kofaktoriumi. Tarkite, kad vienam užbaigtam ciklui tenka vienas produktas. Kiekvienai dalelei atlikus šimtą ciklų, produkto kiekis yra 0.0300×100=3.00 μmol, o atkuriamo prisijungusio kofaktoriaus atsarga lieka 0.0300 μmol.

Dabar nagrinėkite atskirą kosubstrato atsargą: prieinama 0.400 μmol, vienam produktui pakeičiamas vienas kosubstratas, regeneracijos nėra. Jos pakanka ne daugiau kaip 0.400 μmol produkto. Norint gauti 0.600 μmol, iš nurodyto tiekimo arba regeneracijos proceso reikia dar 0.200 μmol panaudojamų kosubstrato ekvivalentų.

Šie išgalvoti skaičiai aprašo skirtingus vaidmenis. Regeneracija yra kitas cheminis procesas, turintis savus dalyvius ir energinius apribojimus; ji nesuteikia teisės nepaisyti tvermės. Atkuriamo kofaktoriaus pavyzdys taip pat neteigia, kad kiekvienas fermentas visada grįžta nepakitęs be papildomo atkūrimo.

Sutrumpintas oksidacijos būsenos žymėjimas nebūtinai reiškia visos dalelės krūvį

Pasirinkite oksiduotą NAD(1−), C₂₁H₂₆N₇O₁₄P₂, ir redukuotą NADH(2−), C₂₁H₂₇N₇O₁₄P₂, nurodytų nekompleksuotų protonavimo būsenų. Įprasta santrumpa „NAD⁺“ dažnai žymi oksiduotą nešiklio formą; jos pliuso ženklo negalima automatiškai interpretuoti kaip visos molekulės bendrojo krūvio pagal kiekvieną protonavimo susitarimą.

Šioms pasirinktoms dalelėms formalioji pusreaktė yra NAD(1−)+H⁺+2e⁻ → NADH(2−). Vandenilio atomų skaičius padidėja vienetu, o krūvių sumos sutampa: −1+1−2=−2. Elektronai yra redokso pusreaktės apskaitos dalelės; neteigiama, kad laisvi solvatuoti elektronai veikia kaip biologiniai nešikliai.

Išgalvotas 0.750 mmol šio redukuoto dviejų elektronų nešiklio kiekis atitinka 1.50 mmol elektronų ekvivalentų. Padauginus iš Faradėjaus konstantos F=96485.33212331 C mol⁻¹ gaunamas modulis 144.727998 C. Šis formalusis ekvivalentas nėra išmatuota srovė laidu ar bendrasis elektrinis nešiklio mėginio krūvis.

Esant pastoviam pH biocheminis nešiklio žymuo gali reikšti skirtingų protonavimo būsenų arba kompleksuotų dalelių sumą. Tokiam transformuotos atsargos aprašui reikia savų standartinių sąlygų ir juo negalima tyliai pakeisti šios aiškios atomų bei krūvių apskaitos.

Bendra atsarga nėra laisvoji koncentracija

Naudokite hipotetinę idealią vienos jungimosi vietos pusiausvyrą E+M ⇌ EM. Duota bendra E=1.00 μmol L⁻¹, palaikoma laisvoji M=20.0 μmol L⁻¹ ir K_d=5.00 μmol L⁻¹. Taip pat tarkite, kad EM yra aktyvus, o neprisijungęs E neaktyvus. Prisijungusios formos medžiagos kiekio koncentracija yra c_EM=E_T c_M/(K_d+c_M)=0.800 μmol L⁻¹.

Aktyvioji dalis yra 0.800, o laisvoji E=0.200 μmol L⁻¹. Jei tai vienintelis M susijungimas, uždarai atsargai, atitinkančiai šią laisvąją koncentraciją, reikėtų bendros M=20.0+0.800=20.8 μmol L⁻¹. Palaikomos laisvosios koncentracijos ir bendrosios koncentracijos vertės aprašo skirtingus dydžius.

Kai atsarga baigtinė, laisvąjį M reikia nustatyti iš balansų. Tariamas M yra simbolinis partneris, o ne įvardytas elementas ar tikras biologinis kofaktorius. Šie išgalvoti jungimosi parametrai neleidžia spręsti apie maistinės medžiagos poreikį ar biologinį aktyvumą už sutarto modelio ribų.

Fosforilo pernašos apskaitai reikia pasirinktų dalelių

Pasirinkite neutralios D-gliukozės formulės sudėtį, nekompleksuotus ATP⁴⁻ ir ADP³⁻ bei pasirinktą α-D-gliukozės 6-fosfato²⁻ produktą. Formalioji suminė reakcija yra gliukozė + ATP⁴⁻ → gliukozės 6-fosfatas²⁻ + ADP³⁻ + H⁺. Pasirinktos ATP ir ADP formulės yra C₁₀H₁₂N₅O₁₃P₃ ir C₁₀H₁₂N₅O₁₀P₂; produkto fosfato formulė yra C₆H₁₁O₉P.

Šioje pasirinktoje suminėje reakcijoje atomai ir krūvis subalansuoti. Abiejų pusių bendra sudėtis yra C₁₆H₂₄N₅O₁₉P₃, o krūvis −4; dešiniosios pusės krūvis yra −2−3+1. Vienas fosforo turintis vienetas pereina į produkto sudėtį, o du lieka ADP. Formulių balansas nepriskiria atomų pagal mechanizmą, nenustato pradinio gliukozės anomerų pasiskirstymo ir nepaaiškina fermento elementariųjų žingsnių.

Kai išgalvoti pradiniai kiekiai yra 0.800 mmol gliukozės ir 0.500 mmol ATP, didžiausia galima reakcijos eigos vertė santykiu 1:1 yra 0.500 mmol. Fosfatinio produkto ir ADP kiekiai gali kiekvienas pasiekti šią formaliąją eigos vertę; lieka 0.300 mmol gliukozės. Vien katalizatorius negali sukurti trūkstamos ATP atsargos.

Biocheminėse lygtyse dažnai praleidžiamas rezervuaro H⁺, kai pH palaikomas pastovus, ir naudojamos cheminių dalelių sumos, apimančios protonavimo bei su metalais susijungusias formas. Šias lygtis atskirkite nuo šios nekompleksuotų dalelių cheminės apskaitos. Vieno ryšio nutraukimas pats savaime nepaaiškina energijos išsiskyrimo; svarbus visos reakcijos laisvosios energijos skirtumas ir susiejimo sąlygos.

Reakcijų kelyje nešikliai turi būti atkuriami nurodytais procesais

Per katalizinį ciklą atkuriamas partneris leidžia reakcijai kartotis, o pakeičiamas kosubstratas turi būti tiekiamas arba regeneruojamas kitoje reakcijoje. Elektronų nešiklių ir fosforilo grupių atsargos nėra tarpusavyje pakeičiamos: cheminės energijos suteikimas nesukuria nepateikto elektronų donoro.

Prieš siedami su reakcijų keliu apibrėžkite tikrąją reakciją, daleles arba transformuotas atsargas. Originalūs atkuriamos atsargos, NAD pusreaktės, jungimosi ir fosforilo pavyzdžiai šiuos pasirinkimus nagrinėja atskirai. Jų subalansuota apskaita nėra praktiniai protokolai, tikri fermentų mechanizmai ar ląstelinių srautų matavimai.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Padvigubinkite užbaigtų ciklų skaičių iki dviejų šimtų vienam fermentui, nekeisdami atkuriamos 0.0300 μmol prisijungusios atsargos. Raskite produkto kiekį ir įvertinkite atskirą 0.600 μmol tikslą be kosubstrato regeneracijos.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ciklų produkto 6.00 μmol; prisijungusios atsargos 0.0300 μmol. Nepakeista 0.400 μmol kosubstrato atsarga nepakankama atskiram 0.600 μmol tikslui.

   Didesnis ciklų su atkuriamu kofaktoriumi skaičius nepašalina kitame modelyje galiojančio sunaudojamo kosubstrato apribojimo.

2. Prieinama tik 0.250 mmol sutarto redukuoto dviejų elektronų nešiklio. Raskite elektronų ekvivalentus ir įvertinkite, ar vien ATP pakeičia trūkstamą donoro atsargą.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   0.500 mmol elektronų ekvivalentų; vien ATP nesuteikia trūkstamo elektronų donoro.

   Skaičiuokite po du elektronus vienam pasirinktam nešikliui. Energinis susiejimas ir redokso atsarga yra skirtingi apribojimai.

3. Vietoj to naudokite uždarą idealią atsargą, kurioje bendra M=0.600, bendra E=1.00 ir K_d=0.500 μmol L⁻¹. Raskite prisijungusią EM ir laisvąją M.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Prisijungusi EM 0.341127656 ir laisvoji M 0.258872344 μmol L⁻¹.

   Išspręskite 0.500x=(1−x)(0.600−x) ir pasirinkite fizikinę prasmę turinčią šaknį. Vietoj laisvosios M įstačius bendrą M būtų klaidingai gauta prisijungusios EM vertė 0.545454545.

4. Ar be išorinio ATP regeneravimo proceso vien katalizatorius gali paversti visus 0.800 mmol gliukozės, naudodamas 0.500 mmol ATP atsargą pasirinktoje suminėje pernašos reakcijoje? Kiekybiškai įvertinkite trūkumą.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Pasirinktos ATP atsargos pakanka tik 0.500 mmol reakcijos eigos vertei; visam tikslui reikia dar 0.300 mmol ATP ekvivalentų.

   Katalizė nesukuria trūkstamo stechiometrinio dalyvio. Bet kuri regeneracija turi turėti savą pagrįstą reakcijos apskaitą.

Ką verta įsidėmėti

• Partnerio cheminis vaidmuo priklauso nuo konkrečios reakcijos.
• Atskirkite atkuriamus kofaktorius nuo pakeičiamų kosubstratų.
• Sutrumpintas oksidacijos būsenos žymėjimas automatiškai nereiškia visos dalelės krūvio.
• Laisvojo partnerio koncentracija skiriasi nuo bendros jo atsargos.
• Cheminių dalelių apskaitą atskirkite nuo transformuotų biocheminių atsargų lygčių.