Ændring af perspektivet på oprindelsen af ​​enzymatisk katalytisk kraft

De enzymer, der findes i levende organismer, har en imponerende katalytisk kraft. Takket være enzymer sker de kemiske reaktioner, der opretholder livet, millioner af gange hurtigere, end de ville ske uden dem. Enzymer fremskynder reaktioner ved at hjælpe med at sænke den aktiveringsenergi, der er nødvendig for at starte dem, men i mere end 70 år har, hvordan enzymer opnår dette, været genstand for intens debat.

Dr. Tor Savidge, professor i patologi og immunologi ved Baylor College of Medicine og Texas Children's Microbiome Center, og hans kolleger ændrer måden at se på dette gamle argument. I deres arbejde udgivet i Chemical Science , undersøgte de lighederne og forskellene mellem de to mekanismer, der i øjeblikket er til debat, ved at karakterisere katalytiske reaktioner på et detaljeret molekylært niveau.

"På nuværende tidspunkt foreslås to store forskellige reaktionsmekanismer for at forklare enzymatisk katalytisk kraft," sagde Savidge. "Den ene foreslår, at enzymer sænker reaktionens aktiveringsenergi via stabilisering af overgangstilstande (TS), og den anden, at de gør det ved at destabilisere grundtilstanden (GS) af enzymer. Den nuværende idé er, at disse mekanismer er gensidigt udelukkende."

Førsteforfatter Dr. Deliang Chen ved Gannan Normal University i Kina og hans kolleger anlagde en teoretisk tilgang under hensyntagen til tidligere resultater fra Savidge-laboratoriet, der viser, at de ikke-kovalente vekselvirkninger mellem substrater og enzymer med vand er vigtige i forhold til mekanismen af ​​det enzymatiske reaktioner.

"I et biologisk miljø skal du overveje vandet - at det kommer til at forstyrre de meget komplekse atomare interaktioner, der forekommer i enzymets aktive sted. Vi er nødt til at overveje dem alle for at forstå, hvor præcis du skal have elektrostatiske interaktioner, der er vil favorisere den enzymatiske proces," sagde Savidge. "Når du tager det i betragtning, kan du forstå, hvordan disse mekanismer fungerer."

Deres analyser fik holdet til at foreslå noget nyt:at TS og GS trods alt ikke er så forskellige. De bruger en lignende atommekanisme til at booste den enzymatiske reaktion fremad. Mekanismen involverer vand i at ændre ladningen af ​​vigtige rester i det katalytiske sted på en måde, der begunstiger dannelsen af ​​en energetisk gunstig tilstand, der driver den enzymatiske reaktion til at forekomme.

"Det vigtige, nye punkt her er ikke, hvordan dette opnås, men hvornår det opnås," sagde Savidge. "Vi har vist, at ved stabilisering af overgangstilstande dannes ladningerne, der driver reaktionen fremad, før substratet kommer ind i det aktive sted. Mens det er i destabiliseringsgrundtilstanden sker dette også, men efter at substratet kommer ind i det aktive sted."

Forskerne foreslog også, at den fælles mekanisme mellem TS og GS er universel; det kan anvendes på mange enzymatiske reaktioner.

Deres resultater har vigtige implikationer, ikke kun for at hjælpe forskere med bedre at forstå enzymernes katalytiske kraft, men også for praktiske lægemiddeldesignapplikationer.

"Vi bruger vores resultater til mere dybt at udforske mikrobiel enzymatisk katalyse i forskellige miljøer og til at designe kunstige enzymer," sagde Savidge.

Yibao Li, Xun Li, Xiaolin Fan ved Gannan Normal University og Xuechuan Hong ved Wuhan University School of Pharmaceutical Sciences bidrog også til dette arbejde. + Udforsk yderligere

Kortlægning af elektriske felter for at hjælpe med at optrevle, hvordan enzymer fungerer