Forskere tager et nyt kig på Michaelis-Menten-ligningen

Forskere fra Aarhus Universitet udfordrer en af ​​hjørnestenene i biokemi, Michaelis-Menten ligningen. De viser, at mange enzymer i signalveje er uafhængige af substratkoncentration, fordi substratet er fysisk forbundet med enzymet. Med disse resultater, det kan en dag være muligt at udvikle lægemidler, der ikke kun er målrettet mod enzymet, men også påvirke, hvordan det er forbundet med sit substrat.

Celler sender signaler gennem enzymkaskader, hvor et enzym sender signalet til det næste. I sådanne kaskader, det er afgørende, at enzymet genkender de rigtige substrater for at sikre, at for eksempel, et hormon aktiverer de rigtige cellulære aktiviteter. Protein kinaser, enzymerne i sådanne kaskader, er normalt ikke tilstrækkeligt specifikke i sig selv, og derfor er de afhængige af andre proteiner til fysisk at forbinde dem med de rigtige substrater.

"I øjeblikket, vi beskriver signalerende enzymer med ligninger udviklet for metaboliske enzymer, Magnus Kjærgaard forklarer. "Metaboliske enzymer, der laver energi til vores kroppe, for eksempel, skal behandle mange substrater i minuttet. I modsætning, signalerende enzymer fungerer som omskiftere, og behøver ofte kun at konvertere et enkelt substrat for at have en effekt. Derfor, ligningerne udviklet til at beskrive metaboliske enzymer er mindre relevante for signalering af enzymer."

I mere end hundrede år, biokemikere har beskrevet enzymers aktivitet ved hjælp af Michaelis-Menten-ligningen, som beskriver, hvordan aktiviteten stiger med øget substratligning. Når enzymet er forbundet til dets substrat, det er lige meget, hvor meget substrat der er til stede. I stedet, reaktionens hastighed afhænger af, hvordan enzymet er forbundet med substratet og dermed af forbindelsesmolekylet. Indtil nu, vi har ikke haft nogen beskrivelse af, hvordan strukturen af ​​sådanne molekyler påvirkede enzymatiske reaktioner.

"Normalt, spørgsmålet du forsøger at besvare er, hvilken grafform der beskriver enzymaktiviteten. Vi havde et meget mere grundlæggende problem, " siger førsteforfatter Mateusz Dyla. "Hvad skal vi sætte på X-aksen i stedet for koncentration?"

Forbindelsesmolekyler styrer cellulær signalering

Forfatterne lavede et modelsystem, hvor de kunne ændre forbindelsen mellem enzymet og substratet. De brugte dette til at måle, hvordan længden af ​​et fleksibelt stik påvirker den første runde af katalyse af enzymet, som fandt sted i millisekunder. Endelig, de endte med en ligning, der beskriver, hvordan enzymets hastighed afhænger af sammenhængen mellem enzym og substrat. Denne ligning antydede, at konnektormolekyler spiller en overset rolle i styringen af ​​cellulær signalering.

Forbindelsen mellem enzym og substrat påvirker også, hvilke substrater enzymet foretrækker. Substrater, der ligner hinanden, kan være meget forskellige, når enzymet kun behandler et enkelt forbundet substrat.

"Det er ligesom forskellen mellem, hvor lang tid det tager mig at spise en enkelt hotdog, og hvor mange hotdogs jeg kan spise over en hel uge, "Magnus forklarer." I løbet af en uge, Jeg bliver begrænset af, hvor hurtigt jeg kan fordøje hotdogs. Dette er irrelevant for den tid, det tager at spise den første hotdog. Derfor, de to målingstyper giver forskellige resultater. Hvis du vil forstå kinase switches, du er nødt til at fokusere på den første runde af katalyse. "

På lang sigt, dette kan have konsekvenser for udviklingen af ​​lægemidler rettet mod kinaser i, for eksempel, Kræft. Mateusz forklarer:"Vi håber, at det en dag vil være muligt at lave lægemidler, der ikke kun er målrettet mod enzymet, men også målrette, hvordan det er forbundet med dets substrat."

Resultaterne er offentliggjort i det internationale tidsskrift PNAS .