Forståelse af enzymkaskader er nøglen til forståelse af stofskifte

En skefuld sukker kan få medicinen til at falde, men at forstå, hvad der sker med det sukker i cellen, er langt mere kompliceret end simpel fordøjelse, ifølge forskere. For at sukker kan metabolisere og levere energi til cellerne, en række enzymer - biologiske katalysatorer - skal hver, på tur, nedbryde en reaktant. I dette tilfælde, forskerne brugte glukose, sukkeret, der findes i majssirup og det ene af de to sukkerarter, der opstår, når bordsukker - saccharose - nedbrydes i kroppen.

I denne kaskade, det første enzym virker på glukosen, der leveres til cellen, og de efterfølgende enzymer virker på successive produkter. I processen, to adenosintrifosfatmolekyler - ATP - forbruges, men fire produceres. Hydrolysen af ​​ATP driver mange cellulære processer til at opretholde cellens levedygtighed. Lignende enzymkaskader er ansvarlige for mange metaboliske processer i kroppen.

Enzymer, der deltager i sådanne reaktionsveje, har i nogle tilfælde vist sig at danne intracellulære, reversible komplekser betegnet metaboloner af Paul Srere (død), University of Texas Southwestern Medical School. At have enzymerne i nærheden af ​​hinanden letter den række reaktioner, de katalyserer. Et sådant eksempel er purinosomet opdaget ved Evan Pugh University Professor og Eberly Chair i kemi Stephan J. Benkovic's Lab i Penn State, der består af seks enzymer involveret i biosyntesen af ​​puriner.

Forskerne spurgte, om en af ​​de faktorer, der bidrager til metabolondannelse, kan være en gradient af kemikalier, der genereres af de deltagende enzymer. De rapporterer deres resultater i dagens (18. december) nummer af Naturkemi .

"Vi opdagede for noget tid siden, at simple katalysatormolekyler som enzymer også vil kemotaxe op ad en reaktants gradient, "sagde Ayusman Sen, fornem professor i kemi, Penn State. "De bevæger sig mod højere og højere koncentrationer af reaktant."

Bevægelsen kaldes kemotaksi, hvor individuelle molekyler vandrer langs en koncentrationsgradient af andre molekyler.

"Alle levende ting kemotaxi, "sagde Sen." Hvis du er sulten og pludselig lugter pommes frites, du vil prøve at gå mod pommes frites. Hvis lugten falder, du vil tilfældigt vende dig for at prøve at finde den højere koncentration af fransk-steg lugtmolekyler, indtil du er ved fransk-stegetælleren. "

I deres undersøgelse, forskerne brugte kun de første fire enzymer i den glykolytiske vej - hexokinase, phosphoglucose -isomerase, phosphofructokinase og aldolase. Disse fire trin forbruger faktisk ATP. For at studere bevægelsen af ​​enzymerne, forskerne brugte fluorescerende mærkning af hexokinase og aldolase, de første og fjerde enzymer i vejen. Hver blev mærket med et andet fluorescerende farvestof, så bevægelsen af ​​begge enzymer kunne følges.

De så på tre tilfælde - den normale reaktion, hvor hexokinase phosphorylerer glucose; reaktionen af ​​hexokinase med mannose, et sukker, der binder stærkere, men har en langsommere reaktionshastighed; og endelig med L-glucose, en form for glucose, der ikke bruges af hexokinase. Fosforyleringen kræver ATP. I nærvær af phosphoglucose -isomerase - det andet enzym - og phosphofructokinase - det tredje enzym - produceres reaktanten for aldolase.

Forskerne observerede, at aldolasen bevæger sig mod hexokinasen i deres strømningseksperiment, afslører, at aldolase kemotaxer reaktantgradienten produceret af funktionen af ​​de tre første enzymer i vejen. Kemotaxien var størst med D-glucose, mindre med mannose og ikke observeret med L-glucose.

Teoretisk modellering af enzymbevægelsen forudsagde kvalitativt omfanget af enzymbevægelse.

Forskerne kiggede også på, om kemotaxi af enzymer ville forekomme i en model af det usædvanligt overfyldte intracellulære miljø. De tilføjede et stof med stor molekylvægt for at simulere en sådan trængsel. Kemotaksi forekom stadig, men i en langsommere hastighed.

"Chemotaxis langs en kemisk gradient kan være en faktor i samlingen af ​​enzymklynger, såsom metaboloner, "sagde Benkovic." Andre faktorer, såsom ikke -kovalente interaktioner forventes stadig at bidrage. "

Opløsningen af ​​forskningsinstrumentet, imidlertid, var utilstrækkelig til at demonstrere i dette tilfælde, at de fire enzymer samledes til et metabolon. Forskerne observerede dannelsen af ​​store aggregater af enzymer, men kunne ikke påvise, at de fungerede metaboloner.