مکانیسمهای کاتالیز آنزیمی
مکانیسمهای کاتالیز آنزیمی، راهبردهای مولکولی هستند که جایگاههای فعال آنزیمها از طریق آنها واکنشهای شیمیایی را اغلب با چندین مرتبه بزرگی تسریع میکنند. این راهبردها شامل کاتالیز اسید-باز، کاتالیز کووالانسی، کاتالیز یون فلزی، نزدیکسازی واکنشدهندهها و سازماندهی الکترواستاتیکی پیشین جایگاه فعال میشوند. این مکانیسمها در مجموع توضیح میدهند که چگونه پروتئینها به افزایش سرعت و ویژگی دست مییابند که کاتالیزورهای شیمیایی ساده قادر به آن نیستند.
Definition
مکانیسمهای کاتالیز آنزیمی ترکیبی از راهبردهای شیمیایی و فیزیکی هستند که از طریق آنها جایگاه فعال یک آنزیم، سد فعالسازی یک واکنش خاص را کاهش میدهد، از جمله کاتالیز عمومی اسید-باز، کاتالیز کووالانسی و یون فلزی، اثرات مجاورت و جهتگیری، و پایداری الکترواستاتیکی واسطههای باردار و حالتهای گذار.
Scope
این موضوع به بررسی راهبردهای کاتالیزوری تکرارشوندهای که آنزیمها به کار میبرند، چگونگی سازماندهی جایگاه فعال برای استفاده از آنها و نحوه مشارکت اتصال سوبسترا و تغییرات ساختاری در کاتالیز میپردازد. این مکانیسمها به عنوان بیوشیمی مرجع مورد بررسی قرار میگیرند و نه به عنوان راهنمای بالینی.
Core questions
- جایگاههای فعال برای تسریع واکنشها از چه راهبردهای شیمیایی استفاده میکنند؟
- سازماندهی فضایی باقیماندههای کاتالیزوری چگونه به افزایش سرعت کمک میکند؟
- یونهای فلزی و کوفاکتورها چه نقشی در کاتالیز ایفا میکنند؟
- اتصال سوبسترا و تغییرات ساختاری چگونه با شیمی جفت میشوند؟
Key concepts
- کاتالیز اسید-باز
- کاتالیز کووالانسی
- کاتالیز یون فلزی
- اثرات مجاورت و جهتگیری
- کاتالیز الکترواستاتیکی و سازماندهی پیشین جایگاه فعال
- کوفاکتورها و کوآنزیمها
- تغییر ساختاری و تطابق القایی
Key theories
- سازماندهی الکترواستاتیکی پیشین
- یک نظریه پیشرو معتقد است که آنزیمها عمدتاً با فراهم کردن یک محیط قطبی از پیش سازمانیافته که توزیع بار حالت گذار را به صورت الکترواستاتیکی پایدار میکند، واکنشها را تسریع میکنند و انرژی بازآرایی را که حلال اطراف در غیر این صورت تحمیل میکند، کاهش میدهند.
- تطابق القایی
- اتصال سوبسترا باعث ایجاد یک تغییر ساختاری در آنزیم میشود که گروههای کاتالیزوری را همراستا میکند و آب را حذف میکند، که به توضیح ویژگی و جایگیری مولد گروههای واکنشدهنده کمک میکند.
Mechanisms
آنزیمها چندین راهبرد شیمیایی را در یک جایگاه فعال دقیقاً سازمانیافته ترکیب میکنند. کاتالیز عمومی اسید-باز از زنجیرههای جانبی پروتئین برای اهدای یا پذیرش پروتونها در حالت گذار استفاده میکند؛ کاتالیز کووالانسی یک واسطه کووالانسی گذرا با سوبسترا تشکیل میدهد؛ کاتالیز یون فلزی از فلزات متصل برای قطبی کردن پیوندها، پایدارسازی بار یا میانجیگری شیمی ردوکس استفاده میکند؛ و اثرات مجاورت و جهتگیری گروههای واکنشدهنده را در یک راستای مولد قرار میدهد. در میان اینها، اصل فیزیکی یکپارچهکننده، پایداری حالت گذار است که بسیاری از تحلیلها آن را عمدتاً به یک جایگاه فعال که از پیش برای فراهم کردن مکملپذیری الکترواستاتیکی با بارهای در حال توسعه سازمانیافته است، نسبت میدهند. اتصال سوبسترا میتواند تغییرات ساختاری را آغاز کند که پیکربندی کاتالیزوری را کامل میکند، و شبیهسازیهای مدرن این مشارکتها را در نظریههای حالت گذار و سرعت ادغام میکنند تا چگونگی ترکیب این مراحل را کمیسازی کنند.
Clinical relevance
درک مکانیسمهای کاتالیزوری به چگونگی طراحی مهارکنندههای آنزیمی، از جمله آنالوگهای حالت گذار و مهارکنندههای کووالانسی، کمک میکند و مبنای مولکولی بسیاری از دستههای دارویی هدفگیرنده آنزیم را توضیح میدهد. این موضوع مکانیسم را در سطح مولکولی به عنوان یک ماده مرجع توصیف میکند و مبنایی برای تصمیمگیریهای تشخیصی یا درمانی فردی نیست.
History
آنزیمشناسی کلاسیک راهبردهای اسید-باز، کووالانسی و یون فلزی را تا اواسط قرن بیستم طبقهبندی کرد، در حالی که پیشنهاد تطابق القایی (induced-fit) کوشلند در سال ۱۹۵۸ دیدگاهی پویا از اتصال سوبسترا را اضافه کرد. از دهه ۱۹۷۰ به بعد، رویکردهای محاسباتی که توسط وارشل و کارپلاس پیشگام شدند، کاتالیز را بر اساس سازماندهی الکترواستاتیکی پیشین و انرژی بازآرایی بازتعریف کردند، و بررسیهای بنکوویک، همس-شیفر و دیگران، شیمی، ساختار و دینامیک را در تصویر معاصر ترکیب کردند.
Debates
- نقش دینامیک پروتئین در کاتالیز
- اینکه آیا حرکات پروتئین به طور فعال عبور از سد را ترویج میکنند، یا اینکه کاتالیز اساساً با پایداری الکترواستاتیکی تعادلی حالت گذار توضیح داده میشود، یک سوال مورد بحث در آنزیمشناسی مکانیکی باقی مانده است.
Key figures
- Daniel Koshland
- Arieh Warshel
- Martin Karplus
- Stephen Benkovic
- William Jencks
Related topics
Seminal works
- koshland-1958
- warshel-2006
- benkovic-hammes-schiffer-2003
Frequently asked questions
- آنزیمها از چه راهبردهای کاتالیزوری اصلی استفاده میکنند؟
- راهبردهای رایج شامل کاتالیز عمومی اسید-باز، کاتالیز کووالانسی، کاتالیز یون فلزی، مجاورت و جهتگیری واکنشدهندهها، و پایداری الکترواستاتیکی حالت گذار توسط یک جایگاه فعال از پیش سازمانیافته است.
- تطابق القایی چیست؟
- تطابق القایی این ایده است که اتصال سوبسترا باعث ایجاد یک تغییر ساختاری در آنزیم میشود که گروههای کاتالیزوری را در راستای مناسب قرار میدهد و به ویژگی و کارایی کاتالیزوری کمک میکند.