เอนไซม์เชิงซ้อนหลายชนิด

เอนไซม์เชิงซ้อนหลายชนิด (multi-enzyme complex) คือการรวมตัวกันอย่างเสถียรซึ่งกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันหลายอย่าง — และบ่อยครั้งรวมถึงโคแฟกเตอร์ที่เชื่อมโยงกิจกรรมเหล่านั้น — ถูกยึดไว้ด้วยกันในอนุภาคเหนือโมเลกุล (supramolecular particle) เดียวกัน ด้วยการจัดวางปฏิกิริยาที่ต่อเนื่องกันไว้ในตำแหน่งเดียวกัน เอนไซม์เชิงซ้อนดังกล่าวสามารถประสานการเร่งปฏิกิริยา, ส่งผ่านสารตัวกลาง, และนำเสนอเป้าหมายการควบคุมเดียวสำหรับลำดับปฏิกิริยาทั้งหมดได้

Definition

เอนไซม์เชิงซ้อนหลายชนิด คือการรวมตัวกันแบบไม่ใช้พันธะโควาเลนต์ (หรือในกรณีของเอนไซม์หลายหน้าที่ คือแบบใช้พันธะโควาเลนต์) ของเอนไซม์ตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปที่เร่งปฏิกิริยาที่ต่อเนื่องกันหรือมีความสัมพันธ์กันในเชิงหน้าที่ โดยจัดเรียงตัวเพื่อให้การเร่งปฏิกิริยาและการถ่ายโอนสารตัวกลางมักจะได้รับการประสานงานภายในโครงสร้างเดียว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมคำจำกัดความและโครงสร้างของเอนไซม์เชิงซ้อนหลายชนิด ตัวอย่างที่เป็นแบบฉบับ เช่น เอนไซม์เชิงซ้อนอัลฟา-คีโตแอซิดดีไฮโดรจีเนส (alpha-keto acid dehydrogenase complexes) และแฟตตีแอซิดซินเทส (fatty acid synthase) ความแตกต่างระหว่างเอนไซม์หลายหน้าที่ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ (covalently fused multifunctional enzymes) และการรวมตัวกันแบบไม่ใช้พันธะโควาเลนต์ (non-covalent assemblies) รวมถึงการรวมตัวกันที่หลวมและชั่วคราวซึ่งบางครั้งเรียกว่าเมตาบอโลน (metabolons) นี่เป็นหัวข้ออ้างอิงเพื่อการศึกษาในสาขาเอนไซม์วิทยาและไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• กิจกรรมเร่งปฏิกิริยาหลายอย่างถูกจัดระเบียบภายในอนุภาคเดียวได้อย่างไร และสัดส่วนของพวกมันถูกกำหนดได้อย่างไร?
• การรวมตัวกันให้ประโยชน์เชิงหน้าที่อย่างไรเมื่อเทียบกับเอนไซม์เดียวกันที่ทำงานแยกกัน?
• เอนไซม์หลายหน้าที่ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์แตกต่างจากเอนไซม์เชิงซ้อนแบบไม่ใช้พันธะโควาเลนต์และจากเมตาบอโลนแบบชั่วคราวอย่างไร?
• เอนไซม์เชิงซ้อนทั้งหมดถูกควบคุมเป็นหน่วยได้อย่างไร?

Key concepts

• เอนไซม์หลายหน้าที่เทียบกับเอนไซม์เชิงซ้อนแบบไม่ใช้พันธะโควาเลนต์
• แกนเร่งปฏิกิริยาและหน่วยย่อยรอบนอก
• การเชื่อมโยงโคแฟกเตอร์แบบแขนแกว่ง
• เมตาบอโลน (การรวมตัวกันของเอนไซม์ต่อเนื่องแบบชั่วคราว)
• การควบคุมการรวมตัวกันอย่างประสานงาน
• การเชื่อมโยงตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา

Mechanisms

เอนไซม์เชิงซ้อนหลายชนิดจัดระเบียบปฏิกิริยาที่ต่อเนื่องกันในเชิงพื้นที่ ในเอนไซม์เชิงซ้อนอัลฟา-คีโตแอซิดดีไฮโดรจีเนสที่ Reed ได้อธิบายไว้ เอนไซม์องค์ประกอบสามชนิดหลายชุดจะรวมตัวกันรอบแกนโครงสร้าง และแขนลิโปอิลที่แกว่งได้ (lipoyl swinging arm) จะทำหน้าที่ส่งผ่านสารตัวกลางของปฏิกิริยาระหว่างตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาขององค์ประกอบต่างๆ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการเชื่อมโยงตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาภายในกลุ่ม Srere ได้ขยายภาพนี้ไปยังเอนไซม์เชิงซ้อนของเอนไซม์เมแทบอลิซึมที่ต่อเนื่องกัน โดยให้เหตุผลว่าการรวมตัวกันทางกายภาพสามารถประสานการไหลเวียนและส่งผ่านสารตัวกลางได้ และได้นำเสนอแนวคิดที่กว้างขึ้นของเมตาบอโลนสำหรับการรวมตัวกันที่หลวมกว่าและครอบคลุมวิถีเมแทบอลิซึม Huang และคณะเชื่อมโยงการจัดระเบียบดังกล่าวกับการส่งผ่านสารตั้งต้น (substrate channeling) ในขณะที่ Sweetlove และ Fernie เน้นย้ำว่าการรวมตัวกันหลายอย่างเป็นแบบพลวัต โดยมีการก่อตัวและสลายตัวเพื่อตอบสนองต่อสถานะเมแทบอลิซึม

Clinical relevance

เอนไซม์เชิงซ้อนหลายชนิดทำหน้าที่ในปฏิกิริยาที่เป็นศูนย์กลางของการเผาผลาญพลังงานและการสังเคราะห์ทางชีวภาพของมนุษย์ และความบกพร่องทางพันธุกรรมหรือที่เกิดขึ้นภายหลังในองค์ประกอบของเอนไซม์เหล่านี้ได้รับการศึกษาในบริบทของโรคเมแทบอลิซึม บทความนี้อธิบายถึงวิธีการจัดระเบียบของเอนไซม์เชิงซ้อนดังกล่าว และมีวัตถุประสงค์เพื่อการอ้างอิงและการศึกษา ไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

งานวิจัยเกี่ยวกับเอนไซม์เชิงซ้อนหลายชนิดมีจุดเริ่มต้นจากการศึกษาเอนไซม์เชิงซ้อนอัลฟา-คีโตแอซิดดีไฮโดรจีเนสของ Reed ที่ใช้เวลาหลายทศวรรษ ซึ่งได้ติดตามบทบาทของกรดไลโปอิก (lipoic acid) และเปิดเผยว่าเอนไซม์หลายชนิดรวมตัวกันรอบแกนกลางด้วยกลไกแขนแกว่งได้อย่างไร บทวิจารณ์ของ Srere ในปี 1987 ได้นำแนวคิดของเอนไซม์เชิงซ้อนของเอนไซม์เมแทบอลิซึมที่ต่อเนื่องกัน — และแนวคิดเมตาบอโลน — มาใช้กันอย่างแพร่หลาย และการศึกษาโครงสร้างและพลวัตในภายหลัง ซึ่งได้รับการทบทวนโดย Sweetlove และ Fernie ได้ขยายภาพไปสู่การรวมตัวกันแบบชั่วคราวที่ขึ้นอยู่กับสภาวะ

Debates

เมตาบอโลนมีความเป็นจริงและเสถียรเพียงใดภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยา?

การที่เอนไซม์ต่อเนื่องที่รวมตัวกันอย่างหลวมๆ จะก่อตัวเป็นเมตาบอโลนที่มีความหมายเชิงหน้าที่ในสิ่งมีชีวิต หรือว่าการรวมตัวกันที่สังเกตได้เป็นสิ่งประดิษฐ์จากความเข้มข้นสูงหรือวิธีการเฉพาะ ยังคงเป็นคำถามที่ยังมีการถกเถียงกันอยู่

Key figures

• Lester J. Reed
• Paul A. Srere
• Frank M. Raushel

Seminal works

• reed-2001
• srere-1987

Frequently asked questions

ตัวอย่างคลาสสิกของเอนไซม์เชิงซ้อนหลายชนิดคืออะไร?

เอนไซม์เชิงซ้อนไพรูเวตดีไฮโดรจีเนส (pyruvate dehydrogenase complex) เป็นตัวอย่างในตำราเรียน: มันรวมเอนไซม์สามชนิดที่แตกต่างกันและใช้แขนลิโปอิลที่แกว่งได้เพื่อส่งผ่านสารตัวกลางระหว่างตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาของพวกมัน โดยเปลี่ยนไพรูเวตเป็นอะซิทิล-โคเอ (acetyl-CoA) ในลำดับที่ประสานงานกัน

เมตาบอโลนคืออะไร?

เมตาบอโลนเป็นคำที่ Srere ทำให้เป็นที่นิยม ใช้เรียกเอนไซม์เชิงซ้อนเหนือโมเลกุลแบบชั่วคราวของเอนไซม์เมแทบอลิซึมที่ต่อเนื่องกัน ซึ่งรวมตัวกันเพื่อประสานการไหลเวียนผ่านวิถีเมแทบอลิซึมและอาจสลายตัวเมื่อสภาวะเปลี่ยนแปลง