การจัดแบ่งส่วนเอนไซม์

การจัดแบ่งส่วนเอนไซม์คือการควบคุมเมแทบอลิซึมผ่านตำแหน่งที่เอนไซม์ตั้งอยู่ในเซลล์ โดยการจำกัดเอนไซม์บางชนิดให้อยู่ในออร์แกเนลล์ เยื่อหุ้มเซลล์ หรือชุดประกอบเอนไซม์หลายชนิด เซลล์จะรวมสารตั้งต้นเข้าด้วยกัน แยกปฏิกิริยาที่ไม่เข้ากันออกจากกัน และควบคุมเวลาและสถานที่ที่ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นได้ ดังนั้น ตำแหน่งจึงทำหน้าที่เป็นรูปแบบหนึ่งของการควบคุมที่เสริมการเปลี่ยนแปลงในกิจกรรมหรือปริมาณของเอนไซม์

Definition

การจัดแบ่งส่วนเอนไซม์คือการควบคุมกิจกรรมเมแทบอลิซึมโดยการจัดตำแหน่งเชิงพื้นที่ของเอนไซม์ภายในส่วนประกอบของเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์ หรือชุดประกอบเอนไซม์หลายชนิดที่แตกต่างกัน ซึ่งควบคุมการเข้าถึงสารตั้งต้นของเอนไซม์และแยกปฏิกิริยาที่แข่งขันกันหรือไม่เข้ากันออกจากกัน

Scope

บทความนี้ครอบคลุมหลักการของการจัดระเบียบเชิงพื้นที่ของเอนไซม์ บทบาทของออร์แกเนลล์และเยื่อหุ้มเซลล์ในการแยกวิถีเมแทบอลิซึม การส่งผ่านสารตั้งต้นภายในคอมเพล็กซ์ของเอนไซม์ และวิธีการที่สภาวะเฉพาะที่ปรับกิจกรรมของเอนไซม์ นี่เป็นหัวข้ออ้างอิงในการควบคุมเอนไซม์และไม่มีคำแนะนำทางคลินิกหรือการรักษาใดๆ

Core questions

• ตำแหน่งของเอนไซม์ควบคุมเมแทบอลิซึมได้อย่างไร นอกเหนือจากกิจกรรมภายในของเอนไซม์เอง?
• เหตุใดลำดับปฏิกิริยาบางอย่างจึงต้องถูกแยกออกจากกันทางกายภาพภายในเซลล์?
• การจำกัดเอนไซม์ให้อยู่รวมกันช่วยเร่งวิถีเมแทบอลิซึมผ่านการส่งผ่านสารตั้งต้นได้อย่างไร?
• สภาวะเฉพาะที่ภายในส่วนประกอบปรับการทำงานของเอนไซม์ได้อย่างไร?

Key concepts

• การจัดตำแหน่งย่อยของเซลล์ของเอนไซม์
• การแยกวิถีเมแทบอลิซึมโดยออร์แกเนลล์
• การเชื่อมโยงของเอนไซม์กับเยื่อหุ้มเซลล์
• การส่งผ่านสารตั้งต้นในคอมเพล็กซ์เอนไซม์หลายชนิด
• สภาพแวดล้อมจุลภาคเฉพาะที่ (pH, ไอออน, รีดอกซ์)
• การแยกเชิงพื้นที่ของปฏิกิริยาที่ตรงข้ามกัน

Mechanisms

เซลล์ใช้การจัดระเบียบเชิงพื้นที่เป็นเครื่องมือในการควบคุม การกักเก็บเอนไซม์ไว้ภายในออร์แกเนลล์ เช่น ไมโทคอนเดรีย ไลโซโซม เพอรอกซิโซม หรือเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม ช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมเฉพาะที่ที่ควบคุมได้ และป้องกันไม่ให้รบกวนกระบวนการอื่นๆ ตัวอย่างเช่น วิถีการสังเคราะห์และการสลายที่ตรงข้ามกันสามารถดำเนินไปพร้อมกันได้เมื่ออยู่ในส่วนประกอบที่แตกต่างกัน สภาพแวดล้อมจุลภาคเฉพาะที่ของส่วนประกอบ รวมถึงค่า pH ความเข้มข้นของไอออน และสถานะรีดอกซ์ ยังช่วยปรับกิจกรรมของเอนไซม์ที่อาศัยอยู่ได้อีกด้วย ดังที่เห็นในปริมาณแคลเซียมและชาเปอโรนที่สูงของเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม และการแยกเอนไซม์ที่จัดการกับออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาได้ เช่น ซูเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเทส ระหว่างไซโตซอลและไมโทคอนเดรีย ในระดับที่ละเอียดขึ้น การประกอบเอนไซม์ตามลำดับเข้าเป็นคอมเพล็กซ์ช่วยให้เกิดการส่งผ่านสารตั้งต้น (substrate channeling) ซึ่งผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาหนึ่งจะถูกส่งตรงไปยังตำแหน่งที่ออกฤทธิ์ถัดไป เพิ่มความเข้มข้นเฉพาะที่และจำกัดการสูญเสียไปยังสารละลายโดยรวม ลำดับเป้าหมายและตัวยึดเยื่อหุ้มเซลล์เป็นตัวกำหนดว่าเอนไซม์แต่ละชนิดจะไปอยู่ที่ใด

Clinical relevance

การวางตำแหน่งผิดที่ของเอนไซม์และความล้มเหลวในการทำงานของออร์แกเนลล์เป็นสาเหตุของความผิดปกติทางเมแทบอลิซึมและโรคการสะสมหลายชนิด ดังนั้นความเข้าใจในการจัดแบ่งส่วนจึงเป็นพื้นฐานสำหรับชีวเคมีทางการแพทย์ บทความนี้อธิบายกลไกสำหรับการอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษา

History

การรับรู้ว่าเอนไซม์มีการกระจายตัวอยู่ในส่วนประกอบของเซลล์ที่แตกต่างกันนั้นพัฒนามาจากการแยกส่วนของเซลล์ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ซึ่ง de Duve ได้ระบุไลโซโซมและเพอรอกซิโซม และ Palade ได้อธิบายโครงสร้างของออร์แกเนลล์ การค้นพบสัญญาณเป้าหมายโดย Blobel ในภายหลังได้อธิบายว่าเอนไซม์ถูกนำไปยังตำแหน่งเฉพาะได้อย่างไร งานวิจัยต่อมา รวมถึงการศึกษาการจัดการแคลเซียมของเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมและบทบาทเฉพาะส่วนของซูเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเทส ได้แสดงให้เห็นว่าตำแหน่งมีผลต่อการทำงานของเอนไซม์อย่างไร

Key figures

• Christian de Duve
• George Palade
• Gunter Blobel

Seminal works

• michalak-2009
• wang-2018

Frequently asked questions

ตำแหน่งสามารถควบคุมเอนไซม์ที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงได้อย่างไร?

โดยการควบคุมว่าเอนไซม์สามารถเข้าถึงสารตั้งต้นได้หรือไม่ และสภาวะเฉพาะที่ที่เอนไซม์ประสบ เซลล์สามารถเปิดหรือปิดปฏิกิริยาได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงโมเลกุลของเอนไซม์เอง

การส่งผ่านสารตั้งต้นคืออะไร?

คือการส่งผ่านสารตัวกลางของปฏิกิริยาโดยตรงจากตำแหน่งที่ออกฤทธิ์หนึ่งไปยังตำแหน่งถัดไปภายในคอมเพล็กซ์ของเอนไซม์ ซึ่งช่วยเร่งวิถีเมแทบอลิซึมและจำกัดการสูญเสียสารตัวกลางไปยังสารละลายโดยรอบ