معلومة

5.1: الطاقة والمادة والأنزيمات - علم الأحياء

5.1: الطاقة والمادة والأنزيمات - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

  • تعريف ووصف التمثيل الغذائي
  • قارن وقارن بين autotrophs و heterotrophs
  • صف أهمية تفاعلات الأكسدة والاختزال في عملية التمثيل الغذائي
  • صف لماذا ATP ، FAD ، NAD+و NADP+ مهمة في الخلية
  • التفريق بين الفسفرة على مستوى الركيزة والأكسدة
  • حدد التركيب والمكونات الهيكلية للإنزيم وأدوار الركائز والمنتجات في التفاعل

المصطلح المستخدم لوصف جميع التفاعلات الكيميائية داخل الخلية هو التمثيل الغذائي (الشكل ( PageIndex {1} )). تحدث العمليات الخلوية مثل بناء أو تكسير الجزيئات المعقدة من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية المتدرجة والمترابطة والتي تسمى المسارات الأيضية. التفاعلات العفوية وتطلق الطاقة هي تفاعلات مفرطة الطاقة ، في حين تتطلب التفاعلات العصبية طاقة لتستمر. يشير مصطلح الابتنائية إلى تلك المسارات الأيضية المورقة التي تشارك في التخليق الحيوي ، وتحويل كتل البناء الجزيئية البسيطة إلى جزيئات أكثر تعقيدًا ، وتغذيها استخدام الطاقة الخلوية ، عادةً في شكل ATP (طاقة) و / أو NAD (P) H ( الإلكترونات). على العكس من ذلك ، يشير مصطلح الهدم إلى المسارات الباهظة التي تحطم الجزيئات المعقدة إلى جزيئات أبسط. يتم إطلاق الطاقة الجزيئية المخزنة في روابط الجزيئات المعقدة في مسارات تقويضية ويتم حصادها بطريقة يمكن استخدامها لإنتاج جزيئات عالية الطاقة (عادةً في ATP (طاقة) و / أو NADH (إلكترونات)) ، والتي يتم استخدامها لقيادة مسارات الابتنائية. وهكذا ، من حيث الطاقة والجزيئات ، تعمل الخلايا باستمرار على موازنة الهدم مع الابتنائية.

الأكسدة وخفض الأيض

يعد نقل الإلكترونات بين الجزيئات أمرًا مهمًا لأن معظم الطاقة المخزنة في الذرات والمستخدمة لتغذية وظائف الخلايا تكون في شكل إلكترونات عالية الطاقة. يسمح نقل الطاقة على شكل إلكترونات للخلية بنقل الطاقة واستخدامها بشكل تدريجي ؛ أي في عبوات صغيرة بدلاً من رشقة مدمرة واحدة. التفاعلات التي تزيل الإلكترونات من الجزيئات المانحة ، وتتأكسد ، هي تفاعل أكسدةس؛ تلك التي تضيف إلكترونات إلى الجزيئات المستقبلة ، مما يجعلها منخفضة ، هي تفاعل اختزالس. نظرًا لأن الإلكترونات يمكن أن تنتقل من جزيء إلى آخر ، تحدث الأكسدة والاختزال جنبًا إلى جنب. تسمى هذه الأزواج من التفاعلات تفاعلات تقليل الأكسدة ، أو تفاعل الأكسدة والاختزالس.

ناقلات الطاقة: NAD + و NADP + و FAD و ATP

يمكن تخزين الطاقة المنبعثة من انهيار الروابط الكيميائية داخل العناصر الغذائية إما من خلال تقليل ناقلات الإلكترون أو في روابط الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). في الأنظمة الحية ، تعمل فئة صغيرة من المركبات كحامل إلكترون متنقلس، الجزيئات التي ترتبط بالإلكترونات عالية الطاقة وتنقلها بين المركبات في المسارات. نشأت ناقلات الإلكترون الرئيسية التي سنعتبرها من مجموعة فيتامين ب وهي مشتقات من النيوكليوتيدات ؛ هم نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد ، فوسفات النيكوتين الأدينين ثنائي النوكليوتيد ، وفلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد. يمكن اختزال هذه المركبات أو أكسدة بسهولة. نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD+/ NADH) هو ناقل الإلكترون المحمول الأكثر شيوعًا المستخدم في الهدم. NAD+ هو الشكل المؤكسد للجزيء ؛ NADH هو الشكل المختزل للجزيء. فوسفات النيكوتين الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADP+) ، وهو الشكل المؤكسد لـ NAD+ المتغير الذي يحتوي على مجموعة فوسفات إضافية ، هو ناقل إلكترون مهم آخر ؛ يشكل NADPH عند تقليله. الشكل المؤكسد من فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد هو FAD ، وشكله المختزل هو FADH2. كلاهما NAD+/ NADH و FAD / FADH2 تستخدم على نطاق واسع في استخراج الطاقة من السكريات أثناء التقويض في المواد الكيميائية المغيرة ، في حين أن NADP+/ يلعب NADPH دورًا مهمًا في التفاعلات الابتنائية والتمثيل الضوئي. بشكل جماعي ، FADH2غالبًا ما يُشار إلى NADH و NADPH على أنها تمتلك طاقة مختزلة نظرًا لقدرتها على التبرع بالإلكترونات لتفاعلات كيميائية مختلفة.

يجب أن تكون الخلية الحية قادرة على التعامل مع الطاقة المنبعثة أثناء الهدم بطريقة تمكن الخلية من تخزين الطاقة بأمان وإطلاقها لاستخدامها فقط عند الحاجة. تحقق الخلايا الحية ذلك باستخدام مركب الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). غالبًا ما يُطلق على ATP اسم "عملة الطاقة" للخلية ، ومثل العملة ، يمكن استخدام هذا المركب متعدد الاستخدامات لسد أي حاجة للطاقة للخلية. يوجد في قلب ATP جزيء من أدينوزين أحادي الفوسفات (AMP) ، والذي يتكون من جزيء أدينين مرتبط بجزيء ريبوز ومجموعة فوسفات واحدة. الريبوز هو سكر خماسي الكربون موجود في الحمض النووي الريبي ، و AMP هو أحد النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي. تؤدي إضافة مجموعة فوسفات ثانية إلى هذا الجزيء الأساسي إلى تكوين ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) ؛ تشكل إضافة مجموعة فوسفات ثالثة ATP (الشكل ( PageIndex {2} )). تتطلب إضافة مجموعة فوسفات إلى جزيء ، وهي عملية تسمى الفسفرة ، طاقة. مجموعات الفوسفات مشحونة سالبة وبالتالي تتنافر عندما يتم ترتيبها في سلسلة ، كما هو الحال في ADP و ATP. هذا التنافر يجعل جزيئات ADP و ATP غير مستقرة بطبيعتها. وهكذا ، فإن الروابط بين مجموعات الفوسفات (واحدة في ADP واثنتان في ATP) تسمى رابطة فوسفات عالية الطاقةس. عندما تتكسر هذه الروابط عالية الطاقة لتحرير فوسفات واحد (يسمى فوسفات غير عضوي [Pأنا]) أو مجموعتين فوسفات متصلتين (تسمى بيروفوسفات [PPأنا]) من ATP من خلال عملية تسمى نزع الفسفرة ، يتم إطلاق الطاقة لتحريك تفاعلات مفعمة بالحيوية (الشكل ( PageIndex {3} )).

هناك آليتان عامتان يتم بواسطتهما تكوين ATP في الخلايا: الفسفرة على مستوى الركيزة والفسفرة التأكسدية (الشكل ( PageIndex {4} )). تذكر أن الركيزة هي جزيء يعمل عليه الإنزيم. في الفسفرة على مستوى الركيزة ، يعتبر كل من ADP والمستقلب الفسفوري ركائز في نفس التفاعل الإنزيمي. أثناء التفاعل الأنزيمي المطلق للطاقة ، يتم نقل الفوسفات الموجود على المستقلب إلى ADP لتشكيل منتجات ATP ومستقلب غير فوسفوري. يتم إنتاج أي ATP في مسار أيضي نموذجي من خلال الفسفرة على مستوى الركيزة.

من ناحية أخرى ، فإن الفسفرة المؤكسدة هي على وجه التحديد إضافة الفوسفات غير العضوي إلى ADP بواسطة سينسيز ATP المدعوم من التدرج البروتوني عبر الغشاء. يحدث هذا دائمًا تقريبًا بالتزامن مع سلسلة نقل الإلكترون في التنفس.

تمرين ( PageIndex {3} )

ما هي وظيفة حامل الإلكترون؟

هيكل الإنزيم ووظيفته

تعتبر المادة التي تساعد في تسريع التفاعل الكيميائي عاملاً مساعدًا. لا يتم استخدام المحفزات أو تغييرها أثناء التفاعلات الكيميائية ، وبالتالي فهي قابلة لإعادة الاستخدام. في حين أن الجزيئات غير العضوية قد تعمل كمحفزات لمجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية ، فإن البروتينات التي تسمى الإنزيمات تعمل كمحفزات للتفاعلات الكيميائية الحيوية داخل الخلايا. وبالتالي تلعب الإنزيمات دورًا مهمًا في التحكم في التمثيل الغذائي الخلوي.

يعمل الإنزيم عن طريق خفض طاقة التنشيط لتفاعل كيميائي داخل الخلية. طاقة التنشيط هي الطاقة اللازمة لتكوين أو كسر الروابط الكيميائية وتحويل المواد المتفاعلة إلى منتجات (الشكل ( PageIndex {5} )). تقلل الإنزيمات من طاقة التنشيط عن طريق الارتباط بجزيئات المتفاعلة وتثبيتها بطريقة تسرع التفاعل.

تسمى المتفاعلات الكيميائية التي يرتبط بها الإنزيم الركيزةس، والموقع داخل الإنزيم حيث ترتبط الركيزة يسمى الموقع النشط للإنزيم. تخلق خصائص الأحماض الأمينية بالقرب من الموقع النشط بيئة كيميائية محددة للغاية داخل الموقع النشط مما يؤدي إلى ملاءمة الارتباط ، وإن كان لفترة وجيزة ، بركيزة معينة (أو ركائز). نظرًا لهذه المباراة الشبيهة بأحجية الصور المقطوعة بين الإنزيم وركائزه ، تُعرف الإنزيمات بخصائصها المميزة. في الواقع ، نظرًا لأن الإنزيم يرتبط بركائزه (ركائزه) ، يتغير هيكل الإنزيم قليلاً للعثور على أفضل ملاءمة بين حالة الانتقال (وسيط هيكلي بين الركيزة والمنتج) والموقع النشط ، تمامًا مثل قوالب القفازات المطاطية يد تدخل فيه. يُطلق على تعديل الموقع النشط هذا في وجود الركيزة ، جنبًا إلى جنب مع التكوين المتزامن لحالة الانتقال ، الملاءمة المستحثة (الشكل ( PageIndex {6} )). بشكل عام ، يوجد إنزيم مطابق بشكل خاص لكل ركيزة ، وبالتالي لكل تفاعل كيميائي ؛ ومع ذلك ، هناك بعض المرونة أيضًا. بعض الإنزيمات لديها القدرة على العمل على عدة ركائز مختلفة ذات صلة من الناحية الهيكلية.

تخضع الإنزيمات لتأثيرات الظروف البيئية المحلية مثل الأس الهيدروجيني وتركيز الركيزة ودرجة الحرارة. على الرغم من أن زيادة درجة الحرارة البيئية تزيد بشكل عام من معدلات التفاعل ، فإن الإنزيم المحفز أو غير ذلك ، فإن زيادة أو خفض درجة الحرارة خارج النطاق الأمثل يمكن أن يؤثر على الروابط الكيميائية داخل الموقع النشط ، مما يجعلها أقل ملاءمة لربط الركائز. ستؤدي درجات الحرارة المرتفعة في النهاية إلى إفساد الإنزيمات ، مثل الجزيئات البيولوجية الأخرى ، وفقدان هيكلها ووظيفتها ثلاثية الأبعاد. الأنزيمات مناسبة أيضًا للعمل بشكل أفضل ضمن نطاق معين من الأس الهيدروجيني ، وكما هو الحال مع درجة الحرارة ، يمكن أن تتسبب قيم الأس الهيدروجيني البيئية المتطرفة (الحمضية أو القاعدية) في تغيير طبيعة الإنزيمات. السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية في الموقع النشط لها خصائصها الحمضية أو الأساسية الخاصة بها والتي تعتبر مثالية للحفز ، وبالتالي فهي حساسة للتغيرات في الرقم الهيدروجيني.

العامل الآخر الذي يؤثر على نشاط الإنزيم هو تركيز الركيزة: يزداد نشاط الإنزيم عند تركيزات أعلى من الركيزة حتى يصل إلى نقطة التشبع حيث لا يمكن للإنزيم الارتباط بأي ركيزة إضافية. بشكل عام ، تم تحسين الإنزيمات للعمل بشكل أفضل في ظل الظروف البيئية التي تعيش فيها الكائنات الحية التي تنتجها. على سبيل المثال ، في حين أن الميكروبات التي تعيش في الينابيع الساخنة تحتوي على إنزيمات تعمل بشكل أفضل في درجات الحرارة العالية ، فإن مسببات الأمراض البشرية لديها إنزيمات تعمل بشكل أفضل عند 37 درجة مئوية. وبالمثل ، في حين أن الإنزيمات التي تنتجها معظم الكائنات الحية تعمل بشكل أفضل عند درجة الحموضة المحايدة ، فإن الميكروبات التي تنمو في البيئات الحمضية تصنع الإنزيمات المحسّنة لظروف الأس الهيدروجيني المنخفضة ، مما يسمح بنموها في تلك الظروف.

العديد من الإنزيمات لا تعمل على النحو الأمثل ، أو حتى على الإطلاق ، ما لم تكن مرتبطة بجزيئات مساعدة محددة أخرى غير بروتينية ، إما مؤقتًا من خلال الروابط الأيونية أو الهيدروجينية أو بشكل دائم من خلال روابط تساهمية أقوى. يعزز الارتباط بهذه الجزيئات التشكل والوظيفة الأمثل لأنزيمات كل منها. نوعان من الجزيئات المساعدة هما العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة. العوامل المساعدة هي أيونات غير عضوية مثل الحديد (Fe2+) والمغنيسيوم (ملغ2+) التي تساعد على استقرار تشكيل ووظيفة الإنزيم. أحد الأمثلة على الإنزيم الذي يتطلب أيون معدني كعامل مساعد هو الإنزيم الذي يبني جزيئات الحمض النووي ، DNA polymerase ، الذي يتطلب أيون زنك مرتبط (Zn2+) للعمل.

الإنزيمات المساعدة هي جزيئات عضوية مساعدة مطلوبة لعمل الإنزيم. مثل الإنزيمات ، لا يتم استهلاكها ، وبالتالي فهي قابلة لإعادة الاستخدام. المصادر الأكثر شيوعًا للأنزيمات المساعدة هي الفيتامينات الغذائية. بعض الفيتامينات هي مقدمة للإنزيمات المساعدة والبعض الآخر يعمل مباشرة مثل الإنزيمات المساعدة.

غالبًا ما ترتبط بعض العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة ، مثل الإنزيم المساعد A (CoA) ، بالموقع النشط للإنزيم ، مما يساعد في كيمياء انتقال الركيزة إلى المنتج (الشكل ( PageIndex {7} )). في مثل هذه الحالات ، يسمى الإنزيم الذي يفتقر إلى العامل المساعد أو الإنزيم المساعد باسم إنزيم apoenzyme وهو غير نشط. على العكس من ذلك ، يُطلق على الإنزيم الذي يحتوي على العامل المساعد أو الإنزيم المساعد المرتبط به اسم holoenzyme وهو نشط. NADH و ATP هما أيضًا مثالان على الإنزيمات المساعدة الشائعة الاستخدام التي توفر إلكترونات عالية الطاقة أو مجموعات فوسفات ، على التوالي ، والتي ترتبط بالإنزيمات ، وبالتالي تنشطها.

تمرين ( PageIndex {4} )

ما الدور الذي تلعبه الإنزيمات في التفاعل الكيميائي؟

المفاهيم الأساسية والملخص

  • الأيض يتضمن تفاعلات كيميائية تكسر الجزيئات المعقدة (الهدم) وتلك التي تبني جزيئات معقدة (بناء).
  • يمكن تصنيف الكائنات الحية وفقًا لمصدرها من الكربون. التغذية التلقائية تحويل ثاني أكسيد الكربون غير العضوي إلى كربون عضوي ؛ غيرية التغذية استخدام مركبات الكربون العضوية الثابتة.
  • يمكن أيضًا تصنيف الكائنات الحية وفقًا لمصدر طاقتها. فوتوتروفس الحصول على طاقتهم من الضوء. التغذية الكيميائية الحصول على طاقتهم من المركبات الكيميائية. التغذية العضوية استخدام الجزيئات العضوية ، و ليثوتروف استخدام المواد الكيميائية غير العضوية.
  • خلوي ناقلات الإلكترون قبول الإلكترونات عالية الطاقة من الأطعمة وبعد ذلك تعمل كمانحين للإلكترون في وقت لاحق تفاعلات الأكسدة والاختزال. FAD / FADH2، NAD+/ NADH, و NADP+/ نادف هي ناقلات مهمة للإلكترون.
  • ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP) بمثابة عملة طاقة للخلية ، حيث تقوم بتخزين الطاقة الكيميائية بأمان في خليتيها روابط فوسفات عالية الطاقة لاستخدامها لاحقًا في قيادة العمليات التي تتطلب طاقة.
  • الانزيمات بيولوجية المحفزات التي تزيد من معدل التفاعلات الكيميائية داخل الخلايا عن طريق خفض طاقة التنشيط اللازمة لمواصلة التفاعل.
  • في الطبيعة، ردود فعل مفرطة لا تتطلب طاقة تتجاوز طاقة التنشيط للمضي قدمًا ، فهي تطلق الطاقة. قد تستمر بدون إنزيمات ، ولكن بمعدل بطيء. بالمقابل تفاعلات إندرجونيك تتطلب طاقة تفوق طاقة التنشيط لتحدث. في الخلايا ، يقترن تفاعلات endergonic بردود فعل مفرطة الطاقة ، مما يجعل هذا المزيج مناسبًا بقوة.
  • ركائز ترتبط بالأنزيم موقع نشط. تعمل هذه العملية عادةً على تغيير هياكل كل من الموقع النشط والركيزة ، مفضلة تشكيل الحالة الانتقالية ؛ هذا معروف ب نوبة مستحثة.
  • العوامل المساعدة هي أيونات غير عضوية تعمل على استقرار تشكيل ووظيفة الإنزيم. الإنزيمات هي جزيئات عضوية مطلوبة لوظيفة الإنزيم المناسبة وغالبًا ما يتم اشتقاقها من الفيتامينات. الإنزيم الذي يفتقر إلى العامل المساعد أو الإنزيم المساعد هو أبوينزيم. إنزيم له عامل مساعد أو أنزيم مرتبط هو أ هولوزيم.

رسومات الإنزيمات

الطاقة هي واحدة من & # 8220Big Ideas & # 8221 من AP Biology وهي مدرجة أيضًا في معايير علوم الجيل التالي. لا يتعرف الطلاب عادة على قوانين الديناميكا الحرارية حتى يأخذوا كيمياء الفيزياء. تحتوي معظم كتب علم الأحياء على فصل عن التمثيل الغذائي الخلوي ، وعادة ما يكون بالقرب من فصول عن التنفس الخلوي. يمكن أن يشعر طلاب البيولوجيا المبتدئون بالارتباك إذا تم التركيز بشكل كبير على الجوانب الكيميائية للمعادلات ، لكنني وجدت أنه حتى الطالب الجديد يمكنه استيعاب المفاهيم الأساسية لـ الانزيمات, ركائز وطاقة التنشيط للتفاعل. يتضمن نشاط إنزيم شائع في صفي Intro Bio وضع بيروكسيد الهيدروجين على الكبد ومراقبة الفقاعات ، وهي المنتجات.

يجب أن تدخل فصول علم الأحياء في AP في مزيد من التفاصيل حول معدلات التفاعل وكيفية عمل الإنزيمات في درجات الحرارة المثلى ودرجة الحموضة. بالنسبة لتلك الفصول ، أستخدم اللاكتاز باعتباره إنزيمًا مركّزًا أثناء استكشاف الطلاب لخصائص الإنزيمات. HHMI لديها موارد ممتازة في التطور البشري و استدامة اللاكتيز والتي أدرجها أيضًا في الوحدة.

يمكن استخدام ورقة العمل هذه كمكمل لأنشطة الإنزيم الأخرى ، حيث يفحص الطلاب رسومات توضح خصائص الإنزيمات. أولاً ، يقومون بتسمية الإنزيم والركيزة والموقع النشط والمنتجات. ثم يعرضون رسمًا بيانيًا يوضح تغيرات الطاقة مع وجود إنزيم وبدونه ، مما يكشف عن كيفية خفض الإنزيمات لطاقة التنشيط. يفحص الطلاب أيضًا رسمًا بيانيًا يوضح ملف الأمثل pH من البيبسين والليباز. أخيرًا ، رسم يوضح كيف تثبيط المنافسة و تثبيط خيفي يمكن أن تقلل من سرعة التفاعلات الأنزيمية.


مقدمة

تعمل مصانع الخلايا الميكروبية كمجموعة من الآلات الجزيئية الفعالة. يعتمد نجاح هذه المصانع على كفاءة فئة معينة من الجزيئات الحيوية - إنزيمات البروتين. الإنزيمات مسؤولة عن تحفيز التفاعلات في مجموعة متنوعة من العمليات البيولوجية في جميع الخلايا الحية. من المعروف أن الإنزيمات عبارة عن محفزات عالية الكفاءة حيث يمكنها تسريع التفاعلات بما يصل إلى 17 مرتبة من حيث الحجم [1 ، 2]. ومع ذلك ، لا تزال العوامل التي تمكن الإنزيمات من توفير التعزيز الكبير لمعدلات التفاعل موضع نقاش [3 ، 4]. لأكثر من قرن من الزمان ، ارتبط نشاط الإنزيمات ببنيتها ، فقد اقترحت فرضيات "القفل والمفتاح" و "الملاءمة المستحثة" أن التفاعلات الهيكلية بين الإنزيمات والركائز تلعب دورًا في تحفيز الإنزيم [5 ، 6]. مثل هذا الرأي غير مكتمل لأنه يفشل في شرح التأثيرات الخيفية والتعاونية ، بالإضافة إلى الآلية التفصيلية لتعزيز المعدل الكبير الذي تحققه الإنزيمات. تحفز الإنزيمات التفاعلات على نطاق واسع من المقاييس الزمنية ، والتي تشبه المقاييس الزمنية لأحداث مختلفة من ديناميكيات البروتين الداخلية ، مما يثير التساؤل عما إذا كانت الديناميات وتحفيز الإنزيم مترابطان أم لا (انظر الشكل 1) [7-12] . من المعروف أن ديناميكيات البروتين تلعب دورًا في العديد من جوانب وظيفة الإنزيم ، بما في ذلك ارتباط الركيزة / العامل المساعد أو إطلاقها. ومع ذلك ، كان من الصعب التأكد من ارتباطها بخطوة دوران الركيزة.

يتشابه نطاق المقاييس الزمنية المشاركة في خطوة دوران الركيزة للتفاعلات المحفزة بالإنزيم وديناميكيات البروتين الداخلية. لاحظ عامل التردد العالمي (kبT / h) ، والذي يشيع استخدامه في نظرية الحالة الانتقالية ك بهو ثابت بولتزمان ، تي يمثل درجة الحرارة المحيطة و ح هو ثابت بلانك.

تظهر نظرة متكاملة لبنية البروتين ودينامياته ووظيفته ، حيث تعتبر البروتينات آلات نشطة ديناميكيًا وترتبط حركات البروتين الداخلية ارتباطًا وثيقًا بوظيفة مثل تحفيز الإنزيم. يوجد حاليًا اهتمام واسع ، من كل من المجموعات التجريبية والحسابية ، بالتحقيق في هذا الترابط. قدم عدد من التحقيقات تفاصيل رائعة حول حركة أجزاء البروتين ومشاركتها في وظيفة الإنزيم. تقنيات مثل علم البلورات بالأشعة السينية وتشتت الزاوية الصغيرة [13 ، 14] ، دراسات الرنين المغناطيسي النووي [15-17] ، تبادل الهيدروجين والديوتيريوم [18] ، تشتت النيوترون [19] ، التحليل الكيميائي الحيوي والتحليل الطفري [7 ، 20 ، 21 ] قدمت أدلة حيوية على نطاقات زمنية فردية ، ومع ذلك ، فإن الفهم التفصيلي لديناميات البروتين يتطلب معلومات على مدى واسع من المقاييس الزمنية. علاوة على ذلك ، تم اقتراح تأثير قشرة الماء وتقلبات المذيبات السائبة على ديناميكيات البروتين ، وبالتالي على وظيفة البروتين [22 ، 23]. تلعب الدراسات النظرية والنمذجة الحاسوبية دورًا حيويًا في التحقيق في الصلة بين ديناميكيات البروتين وتقلبات المذيبات وتحفيز الإنزيم على نطاقات زمنية متعددة [8 ، 10-12].

في هذه المراجعة ، نصف الدراسات البيوكيميائية الحديثة والنظرية / الحسابية التي بحثت في الارتباط بين ديناميكيات البروتين وتحفيز الإنزيم. على وجه الخصوص ، نصف التحقيقات الأخيرة في peptidyl-prolyl رابطة الدول المستقلة / العابرة نشاط مشابهات إنزيم سيكلوفيلين أ ، متبوعًا بمناقشة حول أدلة مماثلة من تفاعلات إنزيمية أخرى ، أي تفاعلات نقل الهيدريد المحفزة بواسطة اختزال ثنائي هيدروفولات وكحول ديهيدروجينيز. هناك آثار واسعة لفهم الترابط بين بنية البروتين وديناميكياته ووظيفته مثل تحفيز الإنزيم. من المعروف أن الإنزيمات التي تحفز نفس التفاعلات تنتمي إلى عائلة "طيات" البروتين ، حيث يتشابه الشكل العام المميز للبروتين. أيضًا ، غالبًا ما تنتمي الإنزيمات التي تحفز تفاعلات مماثلة ميكانيكيًا إلى نفس العائلة الفائقة من طيات البروتين. تشمل فوائد فهم "طيات" وديناميكيات الإنزيم بشكل أفضل إمكانية تحسين كفاءة المصانع الميكروبية عن طريق هندسة الإنزيمات ، فضلاً عن تصميم إنزيمات جديدة بوظائف جديدة. علاوة على ذلك ، هناك آثار طبية للتأثيرات الخيفية والتعاونية لنشاط الإنزيم في تصميم الأدوية الجديد.

سيكلوفيلين أ

الببتيدل-برولايل رابطة الدول المستقلة / العابرة تم فحص نشاط أيزوميراز (PPIase) للسيكلوفيلين A (CypA) بالتفصيل للعلاقة بين ديناميات البروتين والتحفيز الأنزيمي ، سواء من خلال التجارب البيوكيميائية والطرق النظرية [10-12 ، 15 ، 16]. CypA هو بروتين عصاري خلوي معبر عنه في كل مكان ، تم اكتشافه باعتباره بروتين المستقبل الرئيسي داخل الخلايا لعقار سيكلوسبورين A المثبط للمناعة [24 ، 25]. ينتمي CypA إلى فئة إنزيمات السيكلوفيلين ، والتي تشارك في العديد من التفاعلات البيولوجية بما في ذلك طي البروتين ونقل البروتين داخل الخلايا والتأشير [26 ، 27]. يعمل CypA بمثابة PPIase ، مما يحفز أزمرة روابط peptidyl-prolyl amide التي تكون طرفي N لبقايا البرولين في مجموعة متنوعة من الببتيدات وركائز البروتين (انظر الشكل 2) [26 ، 28]. Human CypA عبارة عن سلسلة ببتيدية واحدة تحتوي على 165 حمض أميني. تتكون بنيتها الجزيئية من ثمانية أسطوانات متوازية مضادة للتوازي مع بقايا كارهة للماء تشكل نواة في المركز والموقع النشط الموجود على وجه واحد من الجزيء (انظر الشكل 3) [29-31]. بالإضافة إلى-strands و α-helices ، هناك العديد من مناطق حلقة السطح المرنة كما هو موضح بواسطة عوامل درجة الحرارة الكبيرة من دراسات التصوير البلوري بالأشعة السينية.

التفاعل المحفز بواسطة CypA (أ) CypA هو عضو في عائلة من الإنزيمات المعروفة باسم PPIase ، والتي تحفز رابطة الدول المستقلة / العابرة أزمرة روابط الببتيد N- الطرفية لبقايا البرولين في الببتيدات والبروتينات (ب) الموقع النشط لـ CypA مع الركيزة الببتيدية. تحتوي الركيزة الموضحة على تسلسل succinyl (Sin) -Ala-Ala-Pro-Phe-ص-نيتروانيليد (Nit) ويشار إليه على أنه سلسلة B. يشير السهم الأحمر إلى الأزمرة المحفزة. يتم حفظ العديد من المخلفات لدورها في تفاعل الإنزيم. ترتبط الحركة الديناميكية لهذه البقايا الكارهة للماء والماء بخطوة دوران الركيزة [10-12]. تشير الخطوط الخضراء إلى الروابط الهيدروجينية بين الركيزة والإنزيم ، بينما يتم تصوير التفاعلات الكارهة للماء بخطوط مشعة حمراء صغيرة.

هيكل ثلاثي الأبعاد من CypA. يتم تمثيل البنية الثانوية للبروتين بأسهم سماوية (صفائح) وحلزونات حمراء (حلزونات α) بناءً على بنية بلورية من Zhao and Ke (رمز PDB: 1RMH) [29]. المناطق ذات العلامات الخضراء عبارة عن حلقات سطحية مرنة ، تُظهر عمليات نزوح كبيرة في هياكل الأشعة السينية (عوامل درجة حرارة كبيرة) ودراسات استرخاء الرنين المغناطيسي النووي. يتم عرض الركيزة الببتيدية كنموذج الكرة والعصا البرتقالية.

هناك عدد من العوامل تجعل CypA نظامًا جذابًا للتحقيق في الارتباط بين ديناميكيات البروتين الداخلية والنشاط الأنزيمي ، فهو بروتين صغير ولا يتطلب أيونات معدنية أو عوامل مساعدة لنشاط PPIase ، كما أنه يحفز أزمرة رابطة الببتيد في مجموعة متنوعة من الركائز. علاوة على ذلك ، هناك أيضًا اهتمام طبي حيوي بـ CypA cyclophilins ذات أهمية كأهداف دوائية بسبب مشاركتها المحتملة في مجموعة واسعة من الأنشطة المضادة للعدوى للسيكلوسبورين A ومشتقاته غير المثبطة للمناعة [32 ، 33]. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بروتين القفيصة المشفر Gag (CA) من فيروس نقص المناعة البشرية من النوع 1 (HIV-1) ، هو ركيزة ذات صلة بيولوجيًا تحدث بشكل طبيعي لـ CypA [16]. كان مركب البروتين البروتين بين CypA و CA موضوع العديد من الدراسات التجريبية [16 ، 34-37]. هناك اهتمام طبي بمركب CypA-CA ، حيث أن دمج CypA مطلوب للنشاط المعدي لـ HIV-1 [38 ، 39].

حدد التحليل الجيني المستند إلى محاذاة التسلسل المتعدد المخلفات المحفوظة في الموقع النشط CypA وأيضًا البعيدة عن الموقع النشط. اعتمد هذا التحليل على محاذاة 50 تسلسل PPIase من 25 كائنًا متنوعًا ، بدءًا من البكتيريا إلى الإنسان [10]. تم توضيح نتائج هذا التحليل في الشكل 4. وقد أشارت الرؤى الهيكلية التفصيلية إلى أن الموقع النشط لـ CypA يُظهر بقايا محفوظة تشكل تفاعلات كارهة للماء ومحبة للماء مع بقايا الركيزة [انظر الشكل 2 (ب)]. بالإضافة إلى ذلك ، هناك العديد من المخلفات المحفوظة وشبه المحفوظة والتي تزيد عن 12 Å من الموقع النشط. حتى وقت قريب ، لم يكن دور هذه البقايا البعيدة في وظيفة الإنزيم مفهومة جيدًا. كما هو موضح أدناه ، فقد وجد أن الحركات الديناميكية لبعض هذه البقايا تلعب دورًا في التحفيز.

التحليل الجينومي لحفظ تسلسل CypA. تم إجراء تحليل كامل على 50 سلسلة من الأنواع التي تتراوح من البكتيريا إلى الإنسان ، والنتائج من 10 متواليات تمثيلية مذكورة أعلاه. تم العثور على 17 من أصل 165 من بقايا الأحماض الأمينية في تسلسل CypA البشري في جميع تسلسلات 50 PPIases التي تم فحصها: Pro30 Asn35 Phe36 Phe53 His54 Arg55 Ile57 Phe60 Gln63 Gly65 Glu86 Met100 Gln111 Phe112 Phe113 Leu122 و Phe129. تم العثور على ثمانية مخلفات إضافية محفوظة بقوة: Thr32 Tyr48 Met61 Phe83 Leu98 Thr107 Ile114 و His126. تم العثور على خمس بقايا أخرى محفوظة بشكل ضعيف: Phe22 Val29 Asn102 Ser110 و Gly130. تظهر بقايا الموقع النشط المحفوظة (Arg55 و Phe60 و Leu122 المحفوظة بالكامل بقوة His126 ** والمحفوظة بشكل ضعيف Asn102 *) بخلفية خضراء. تُظهر الخلفية الحمراء بقايا محفوظة بالكامل بعيدة عن بقايا الموقع النشط بخلفية سماوية محفوظة بقوة ويتم الحفاظ على البقايا ذات الخلفية الصفراء بشكل ضعيف.

اقترحت دراسات الرنين المغناطيسي النووي التي أجراها كيرن وزملاؤه وجود صلة بين ديناميات البروتين الداخلية وخطوة أزمرة الركيزة [15 ، 16]. استندت الدراسات إلى 15 تحقيقات استرخاء تدور حول ركيزة الببتيد الصغيرة بالإضافة إلى دراسات التبادل النووي ثنائي الأبعاد (2D) 1 H- 15 N للطرف N لبروتين الكبسيد (CA N) من HIV-1. في هذه الدراسات ، تم الكشف عن تقلبات توافقية داخل الموقع النشط لـ CypA على النطاق الزمني للتفاعل (مئات الميكروثانية) ووجد أن معدلات ديناميكيات التوافق ترتبط ارتباطًا وثيقًا بخطوة أزمرة الركيزة. أظهرت العديد من مناطق الموقع النشط والحلقة السطحية حركات فقط في وجود الركيزة ، وشملت هذه المناطق المخلفات: Arg55 و Lys82 و Leu98 و Ser99 و Ala101 و Asn102 و Ala103 و Gly109. بناءً على هذه الدراسات ، اقترح المؤلفون آلية تفاعل لنشاط PPIase لـ CypA ، حيث تحدث خطوة الأزمرة بمعدل ثابت يبلغ حوالي 9000 ثانية -1 ، وتتزامن حركات البروتين مع معدل خطوة دوران الركيزة. CypA البقايا Arg55 هو مساهم رئيسي في التحفيز [40] ، حيث من المحتمل أن تقترن التغييرات الملحوظة في تشكيل العمود الفقري بحركات السلسلة الجانبية الأساسية التحفيزية.

قدمت النمذجة النظرية والحاسوبية لنشاط PPIase لـ CypA رؤى جديدة لفهم العلاقة بين الأحداث الديناميكية في البروتينات وتحفيز الإنزيم ، بما في ذلك آلية تعزيز المعدل الذي تحققه الإنزيمات [10-12]. لاحظ أن النطاق الزمني لتفاعل CypA هو مئات الميكروثانية ، وهو أمر بعيد المنال عن عمليات محاكاة الديناميات الجزيئية الحالية. الديناميات الجزيئية ، وهي تقنية حسابية شائعة الاستخدام ، تقتصر على مقياس زمني نانوثانية (حتى 100 نانوثانية في أحسن الأحوال) بسبب محدودية قوة الحوسبة المتاحة. لذلك ، تم استخدام إطار نظري مختلف للنمذجة الحسابية التفصيلية لمسار التفاعل بأكمله. تم وصف إطار العمل هذا بإيجاز أدناه ، وتتوفر المزيد من التفاصيل في المراجعات الأخرى [9 ، 41]. تستند التحقيقات النظرية لتحفيز الإنزيم على وصف التفاعل باستخدام نظرية الحالة الانتقالية (TST) وتوليد ملف تعريف للطاقة الحرة كدالة لتنسيق التفاعل المناسب. في إطار TST ، تم اقتراح ديناميكيات البروتين للتأثير على معدل التفاعل بطريقتين. يمكن للإنزيمات إما تقليل حاجز طاقة التنشيط (ΔG ‡) للتفاعل أو تغيير ظروف الموقع النشط بحيث يتم تحويل المسارات الأكثر تفاعلية إلى منتج بنجاح. يوضح الشكل 5 سلوك مسارين ، المسار الأول يعبر حاجز الحالة الانتقالية (TS) ولكنه غير ناجح ويعود إلى الجانب المتفاعل. المسار الثاني يعبر الحاجز عدة مرات قبل أن يصبح منتجا. معامل النقل (κ) هو عامل مسبق تصحيحي يتوافق مع جزء المسارات التفاعلية التي تعبر بنجاح حاجز TS وتصبح منتجة. بالنسبة لـ CypA ، تم إنشاء ملفات تعريف الطاقة الحرة باستخدام زاوية رابطة الأميد ثنائية السطوح لرابطة الببتيد كمنسق رد فعل. لاحظ أنه في الدراسات الحسابية الموصوفة هنا ، تكون وحدة تنسيق التفاعل هي الدرجات (°). تم إنشاء ملفات تعريف الطاقة المجانية لأزمرة 3 ركائز صغيرة من الببتيد بالإضافة إلى الركيزة البيولوجية ذات الصلة CA N. يتطلب إجراء إنشاء هذه الملامح عمليات محاكاة متعددة للمقاطع الصغيرة على طول مسار التفاعل باستخدام الديناميات الجزيئية وأخذ العينات المظلة [42] ، والجمع بينها لتوفير معلومات تتعلق بالمقياس الزمني للتفاعل [43]. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول الطرق الحسابية في المراجع. [10] و [11]. بالإضافة إلى الحصول على ملف تعريف الطاقة الحرة ، قام إجراء النمذجة هذا أيضًا بأخذ عينات من مطابقة الركيزة الإنزيمية على طول مسار التفاعل بالكامل. تم استخدام هذه المطابقات للتحليل التفصيلي للتغيرات الهيكلية والديناميكية أثناء آلية تفاعل الإنزيم.

توضيح تخطيطي لملف الطاقة الحرة للتفاعل الأنزيمي. يمكن أن تؤثر ديناميكيات البروتين على معدلات التفاعل بطريقتين محتملتين عن طريق تغيير ارتفاع حاجز الطاقة الحرة للتنشيط (ΔG ‡) ومعامل النقل (κ). ك بهو ثابت بولتزمان ، تي هي درجة الحرارة ، ح هو ثابت بلانك و ك TSTيمثل معدل تفاعل نظرية الحالة الانتقالية.

يشير التحليل الإنشائي للموقع النشط على طول مسار التفاعل إلى دور بقايا محبة للماء (Arg55 و Asn102) وطارئة للماء (Phe60 و Phe113 و Leu122 و His126) من CypA في تثبيت الببتيد الركيزة. يظل البرولين المستهدف من الركيزة ثابتًا بشكل أساسي في الجيب المقاوم للماء المتكون من بقايا CypA ، بينما تدور ذرة الأكسجين الكربوني لبقايا الركيزة السابقة 180 درجة. تشير النمذجة الميكانيكية الكمية للموقع النشط إلى وجود سمة رابطة واحدة لرابطة الببتيد بالقرب من TS. تم العثور على نتائج النمذجة النظرية لتكون متوافقة مع آلية التفاعل المقترحة على أساس الدراسات البلورية [37]. تتطلب هذه الآلية حدًا أدنى من الانحراف عن البنية البلورية للحالة الأرضية وتعرض شخصية رابطة مفردة لرابطة الببتيد بالقرب من TS. تم العثور على التقلبات الديناميكية في العمود الفقري للإنزيم في مناطق معينة (CypA ​​101-104) للتأثير على طبيعة التفاعلات بين الإنزيم والركيزة ، وبالتالي ، تغير طبيعة رابطة الببتيد أثناء مسار آلية التفاعل.

حددت النمذجة الحسابية مجموعة متنوعة من الأحداث الديناميكية الداخلية للبروتين المرتبطة بنشاط إنزيم CypA ، والتي تتراوح من فيمتوثانية (10-15 ثانية) إلى ميكروثانية وأطول (& gt 10 -6 s). على جانب واحد من هذا النطاق توجد حركات سريعة ، تحدث في مقاييس زمنية فيمتوثانية - نانوثانية ، تتكون من حركات توافقية للروابط والزوايا وعدد قليل من الذرات. يشار إلى هذه الحركات بالاهتزازات. على الجانب الآخر من هذا النطاق ، توجد تقلبات توافقية متضافرة تحدث على النطاق الزمني للميكروثانية (والأطول). هذه الحركات الأبطأ أو التقلبات التوافقية ، والتي تمت الإشارة إليها سابقًا باسم حركات التنفس، تغطي جزءًا كبيرًا من البروتين. تحليل الوضع الطبيعي هو تقنية حسابية تُستخدم بشكل شائع للحصول على معلومات تتعلق بالحركات الديناميكية في البروتينات. توفر هذه التقنية معلومات حول الديناميكيات في عدة نطاقات زمنية لتشكيل بروتين معين (موجود عند الحد الأدنى المحلي). لا يعد تحليل الوضع العادي مناسبًا للحصول على حركات البروتين البطيئة التي تحدث في النطاق الزمني للتفاعل بسبب التغيرات الكبيرة في مطابقة البروتين المتضمنة. يمكن استخدام تقنية حسابية أخرى ، تُعرف باسم التحليل شبه التوافقي ، لحساب الأنماط الاهتزازية من مجموعة المطابقات أو لقطات النظام [44]. قدم التحليل شبه التوافقي لمطابقات الركيزة CypA على طول مسار التفاعل بأكمله أوضاع اهتزازية للبروتين تمثل تقلبات توافقية في النطاق الزمني للتفاعل (مقياس زمني ميكروثانية - ميلي ثانية). تُظهر أوضاع اهتزاز البروتين البطيئة المحسوبة حركات متضافرة على منطقة كبيرة من البروتين ، حيث يُظهر العمود الفقري في عدة مناطق من البروتين والسلاسل الجانبية للعديد من البقايا (خاصة على السطح) عمليات نزوح كبيرة. في CypA ، تم العثور على مجموعة فرعية من هذه الأنماط مقترنة بتفاعل 3 أوضاع اهتزازية للبروتين مع أكبر اقتران للخطوة التحفيزية تظهر عمليات نزوح في العديد من المخلفات المحفوظة في الموقع النشط وكذلك في أجزاء أخرى من بنية الإنزيم. لاحظ أن هذه الأوضاع الاهتزازية المحفوظة تختلف عن التقلبات الحرارية العشوائية التي لوحظت في الجزيئات الحيوية.

أدى التوصيف التفصيلي لأحداث ديناميات البروتين الداخلية المرتبطة بتحفيز الإنزيم في CypA إلى اكتشاف شبكة اهتزازات البروتين (انظر الشكل 6). تلعب هذه الشبكة دورًا مهمًا في تعزيز تفاعل الأزمرة [10-12]. يعتمد اكتشاف هذه الشبكة على تحديد 3 اهتزازات بروتينية على النطاق الزمني للتفاعل ، والتحقيق في المرونة الديناميكية للعمود الفقري CypA ، ومراقبة المخلفات المحفوظة والتفاعلات على مدار تفاعل الإنزيم. Dynamical cross-correlation analysis of enzyme parts indicated that several surface loops (distant to each other in sequence) show highly correlated motions during the course of the reaction. These correlated motions form the network of vibrations through a series of interactions, as shown by yellow arrows in Figure 6. Note that this network extends from the surface regions of the enzyme all the way to the active-site, through interconnection of conserved residues and interactions. The vibrations in this network are transmitted to the active-site, where dynamical motions alter the crucial hydrophobic and hydrophilic interactions between enzyme and substrate. As noted above these interactions play a critical role in the reaction mechanism by controlling the nature of the peptide bond, as well as in rotation of the carbonyl oxygen atom from the residue preceding the target proline of the substrate. Evidence for the existence of this network comes from previous NMR studies, where motions have been detected in network residues only during the substrate turnover [15]. Further, the flexibility of the network residues is confirmed by observation of large temperature factors in X-ray studies [29–31, 37]. More recently, new investigations performed by Kern and coworkers, using NMR studies have confirmed the presence of this network in CypA [45]. Moreover, NMR investigations conducted by Blackledge and coworkers have also observed the role of protein motions in transfer of information between β-strands [46]. These recent findings have illustrated the role of coupled networks in propagation of local changes over large distances in protein structure.

A network of coupled protein vibration promoting catalysis in cyclophilin A [10]. Alternate pathways by which protein dynamics impacts the enzyme reaction are depicted based on 3 protein vibrational modes coupled to the reaction. Loops colored in red and residues indicated by ball-and-stick show largest displacements in vibrational modes coupled to the substrate turnover step. The yellow arrows represent the network pathway from outside of the enzyme to the active-site. Reprinted with permission from Agarwal et al., Biochemistry (2004) 43, 10605–10618. Copyright 2004 American Chemical Society.

The discovered network of protein vibrations has a promoting effect on the CypA enzyme activity, and is therefore, a factor contributing to rate-enhancement. Certain protein vibrational modes alter the reaction by changing the active-site environment such that more reaction trajectories cross to the product side. A new theoretical technique has been designed and was used to investigate impact of reaction coupled vibrational modes on the reaction mechanism [12]. This technique allows addition of kinetic energy to a selective vibrational mode and observing the dynamical behavior of the trajectory (see Figure 7). Figure 7(a) shows the change in behavior of trajectories with increasing amount of kinetic energy present in a protein vibrational mode. The result from further investigations show that the presence of energy in certain reaction coupled promoting modes causes the reaction trajectories to overcome the activation energy barrier quickly and more effectively [see Figure 7(b)–(c)]. Note that not all modes promote the reaction, as indicated by a non-promoting mode [that is a mode which is not coupled to the reaction see Figure 7(d)]. Also, the theoretical investigations were performed by adding varying amounts of energy to see the effect of these vibrations in a short simulation (picosecond time-scale). The trend indicates that smaller amounts of kinetic energy present in these modes, which is expected to be present in real system, promotes the reaction at longer time-scales (hundreds of microseconds). The biophysical role of the discovered network in the enzyme reaction can be understood by observing changes that are introduced in the active-site by reaction promoting vibrations. Detailed analysis indicates that the dynamical behavior of reaction trajectories is correlated with the fluctuations in the enzyme-substrate interactions as a result of increased energy in the protein vibrational mode. Rate-enhancing modes impact the key active-site interactions to make the reaction proceed from reactant side to the product side. An interesting observation, from this analysis, is that the maximum enzyme stabilization occurs close to the TS (consistent with the TS stabilization theory for enzyme catalysis). The role of the reaction promoting vibrations could, therefore, be interpreted as internal protein dynamical events that facilitate in the stabilization of the TS.

Effect of additional kinetic energy in selective protein vibrational modes (a) Increased amount of kinetic energy in a mode coupled to the enzyme reaction allows the trajectory to cross the barrier successfully from the reactant side to the product side. The solid black curve represents the native trajectory (no additional kinetic energy), and δ indicates the fraction of system kinetic energy added to the protein vibrational mode. (b)-(d) representative trajectories from simulations with increased kinetic energy in network protein vibrational modes and a non promoting mode. 2% of system kinetic energy was added to protein vibrations mode. Five representative trajectories from each mode are shown in different colors. Not all protein vibrational modes show increased barrier recrossing much less effect on the barrier crossing is seen in a mode not coupled to the reaction [12]. Reprinted with permission from Agarwal et al., J. Am. تشيم. شركة (2005) 127, 15248–15256. Copyright (2005) American Chemical Society.

Solvent surrounding the enzyme also plays a role in the enzyme reaction. In many enzyme reactions, hydrolysis of small molecules provides the energy for overcoming the activation energy barrier however, in other cases the required energy is provided by the thermodynamical fluctuations of the solvent. The fluctuations in the hydration-shell and bulk-solvent surrounding the enzyme are correlated with the internal protein motions. Detailed characterization of the flexible surface loop regions indicates that the side-chains of several surface residues extend into the solvent and the motion of these residues is coupled to the motion of surrounding solvent molecules. CypA investigations indicated the presence of vibrations (on picosecond) time-scale in several crucial surface residues, which are present in the loop regions showing large displacements in reaction promoting vibrational modes. Previous theoretical investigations have also shown that the transition in internal motion of proteins can be driven by the temperature of the solvent [47, 48]. In CypA, computational modeling has shown transfer of energy from solvent to the external regions of the enzyme. This energy transfer changes the behavior of reaction trajectories, through the network of protein vibrations, to promote catalysis (see Figure 8).

Effect of additional kinetic energy in first solvation shell of an enzyme. (a) Kinetic energy is transferred from the solvent to the protein residues, as indicated by increasing energy in the protein regions (up to 5 Å from protein surface, and between 5 Å and 8 Å from the surface) (b) Two otherwise non-productive regular trajectories (solid lines) become productive (broken lines) due to transfer of energy from the solvent to residues forming parts of the protein vibrations network. The corresponding trajectories are indicated by squares and circles [12]. Reprinted with permission from Agarwal et al., J. Am. تشيم. شركة (2005) 127, 15248–15256. Copyright (2005) American Chemical Society.

An interesting outcome of detailed characterization of the network of protein vibrations in CypA is the insight into the conservation of protein residues. The genomic analysis for sequence conservation reveals that there are several residues which are conserved due to their dynamical role in catalysis. Active-site residues, which are key players in the catalytic step, are often conserved in different species. In addition to the active-site residues (Arg55, Phe60, Asn102 and Ala103), which directly participate in the catalytic step, there are several distal residues (including Pro30, Asn35, Phe36, Phe83, Glu86), which are also conserved. Note, that some of these residues are more than 17 Å from the active-site. Results from detailed structural analysis (summarized in Table 1) indicate that these and other distal residues form crucial points and hydrogen bonds in the discovered network and, therefore, are conserved in species ranging from bacteria to human. This finding also has interesting implications on the understanding of the secondary and tertiary protein structure. The discovered network promoting catalysis may provide some insights into the conservation of protein "folds" enzymes catalyzing similar reactions often belong to the same fold family, and enzymes catalyzing mechanistically similar reactions belong the same protein super-family [49, 50].

Other enzymes: dihydrofolate reductase and liver alcohol dehydrogenase

Experimental and computational investigations have revealed the impact of protein dynamics on catalysis in other enzyme systems. Experimental and computational studies of the enzyme dihydrofolate reductase (DHFR) have indicated a link between protein dynamical events and the substrate turnover step of hydride transfer. X-ray crystallography has demonstrated changes in orientation of surface loops along different sub-states along the reaction pathway [51]. Similarly, the surface loop conformations have been linked to the catalytic step by NMR studies [20]. Theoretical and computational studies using hybrid quantum-mechanical and molecular mechanics (QM/MM) methodology have discovered a network of coupled promoting motions [8, 52, 53]. Similar to the network of protein vibrations in CypA described above, the network in DHFR is also formed by interconnection of residues and crucial interactions ranging from surface regions all the way to active-site. Changes in hydrogen-bonds and crucial interactions along the reaction profile have been observed similar to those present during catalysis by CypA. An important discovery by the computational methods was the identification of the residue Ile14 as a dynamical contributor to catalysis. Recently, the importance of this residue in the catalytic step has been confirmed by NMR studies [54]. The presence of this DHFR network has been confirmed by investigations from several research groups [55, 56]. Investigations of DHFR have provided evidence that changing the enzyme structure leads to changed dynamics and, therefore, change in function [21, 53, 57]. Mutation of a single surface residue, more than 12 Å away from active site, changes the dynamics and leads to a rate reduction by a factor of 163.

Liver alcohol dehydrogenase (LADH) is another enzyme where dynamical motions of the protein residues have been linked to the catalytic step. Detailed biochemical and computational studies have identified conserved active-site residue Val203, whose motion are a key player in altering the active-site chemical environment to promote the reaction [58–63].


5.1: Energy, Matter, and Enzymes - Biology

PART II. CORNERSTONES: CHEMISTRY, CELLS, AND METABOLISM

5. Enzymes, Coenzymes, and Energy

In any cell, there are thousands of kinds of enzymes. Each controls specific chemical reactions and is sensitive to changing environmental conditions, such as pH and temperature. For a cell to stay alive in an ever-changing environment, its countless chemical reactions must be controlled. Recall from chapter 1 that control processes are mechanisms that ensure that an organism will carry out all metabolic activities in the proper sequence (coordination) and at the proper rate (regulation). The coordination of enzymatic activities in a cell results when specific reactions occur in a given sequence— for example, A → B → C → D → E. This ensures that a particular nutrient will be converted to a particular end product necessary to the survival of the cell. Should a cell be unable to coordinate its reactions, essential products might be produced at the wrong time or never be produced at all, and the cell would die. The regulation of biochemical reactions is the way a cell controls the amount of chemical product produced. The expression “having too much of a good thing” applies to this situation. For example, if a cell manufactures too much lipid, the presence of those molecules could interfere with other life-sustaining reactions, resulting in the cell’s death. On the other hand, if a cell does not produce enough of an essential molecule, such as a hydrolytic (digestive) enzyme, it might also die. The cellular-control process involves both enzymes and genes.

Enzymatic Competition for Substrates

Enzymatic competition results whenever there are several kinds of enzymes available to combine with the same kind of substrate molecule. Although all these different enzymes may combine with the same substrate, they do not have the same chemical effect on the substrate, because each converts the substrate to different end products. For example, acetyl- coenzyme A (acetyl-CoA) is a substrate that can be acted upon by three different enzymes: citrate synthetase, fatty acid synthetase, and malate synthetase (figure 5.7). Which enzyme has the greatest success depends on the number of each type of enzyme available and the suitability of the environment for the enzyme’s operation. The enzyme that is present in the greatest number or is best suited to the job in the environment of the cell wins, and the amount of its end product becomes the greatest.

The number and kind of enzymes produced are regulated by the cell’s genes. It is the job of chemical messengers to inform the genes as to whether specific enzyme-producing genes should be turned on or off, or whether they should have their protein-producing activities increased or decreased. Gene-regulator proteins are chemical messengers that inform the genes of the cell’s need for enzymes. Gene-regulator proteins that decrease protein production are called gene-repressor proteins, whereas those that increase protein production are gene-activator proteins. Look again at figure 5.7. If the cell were in need of protein, gene-regulator proteins could increase the amount of malate synthetase. This would result in an increase in the amount of acetyl-CoA being converted to malate. The additional malate would then be modified into one of the amino acids needed to produce the needed protein. On the other hand, if the cell required energy, an increase in the amount of citrate synthetase would cause more acetyl-CoA to be metabolized to release this energy. When the enzyme fatty acid synthetase is produced in greater amounts, it outcompetes the other two the acetyl-CoA is used in fat production and storage.

FIGURE 5.7. Enzymatic Competition

Acetyl-CoA can serve as a substrate for a number of reactions. Three such reactions are shown here. Whether it becomes a fatty acid, malate, or citrate is determined by the enzymes present. Each of the three enzymes can be thought of as being in competition for the same substrate—the acetyl-CoA molecule. The cell can partially control which end product will be produced in the greatest quantity by producing greater numbers of one kind of enzyme and fewer of the other kinds. If citrate synthetase is present in the highest quantity, more of the acetyl-CoA substrate will be acted upon by that enzyme and converted to citrate, rather than to the other two end products, malate and fatty acids.

An inhibitor is a molecule that attaches itself to an enzyme and interferes with that enzyme’s ability to form an enzyme- substrate complex (How Science Works 5.1). For example, one of the early kinds of pesticides used to spray fruit trees contained arsenic. The arsenic attached itself to insect enzymes and inhibited the normal growth and reproduction of insects. Organophosphates are pesticides that, at the right concentration, inhibit several enzymes necessary for the operation of the nervous system. When they are incorporated into nerve cells, they disrupt normal nerve transmission and cause the death of the affected organisms (figure 5.8). In humans, death that is due to pesticides is usually caused by uncontrolled muscle contractions, resulting in breathing failure.

FIGURE 5.8. Inhibition of Enzyme at Active Site

(a) Organophosphate pesticides are capable of attaching to the enzyme acetylcholinesterase, preventing it from forming an enzyme-substrate complex with its regular substrate. Since acetylcholinesterase is necessary for normal nerve cell function, organophosphates pesticides are nerve poison and kills organisms. (b) Many farmers around the world use organophosphates to control crop-damaging insects.

Some inhibitors have a shape that closely resembles the normal substrate of the enzyme. The enzyme is unable to distinguish the inhibitor from the normal substrate, so it combines with either or both. As long as the inhibitor is combined with an enzyme, the enzyme is ineffective in its normal role. Some of these enzyme-inhibitor complexes are permanent. An inhibitor removes a specific enzyme as a functioning part of the cell. The reaction that enzyme catalyzes no longer occurs, and none of the product is formed. This is termed competitive inhibition because the inhibitor molecule competes with the normal substrate for the active site of the enzyme (figure 5.9).

FIGURE 5.9 Competitive Inhibition

The left-hand side of the illustration shows the normal functioning of the enzyme. On the right- hand side, the enzyme is unable to attach to succinic acid. This is because an inhibitor, malonic acid, is attached to the enzyme and prevents the enzyme from forming the normal complex with succinic acid. As long as malonic acid stays attached in the active site, the enzyme will be unable to produce fumaric acid. If the malonic acid is removed, the enzyme will begin to produce fumaric acid again. Its attachment to the enzyme in this case is not permanent but, rather, reduces the number of product molecules formed per unit of time, its turnover number.

Scientists use their understanding of enzyme inhibition to control disease. For instance, an anti-herpes drug is used to control herpes viruses responsible for lesions such as genital herpes or cold sores. The drug Valtrex inhibits the viral form of the enzyme DNA polymerase that is responsible for the production of compounds required for viral replication. As a result, the viruses are unable to replicate and cause harm to their host cells. Because people do not normally produce this enzyme, they are not harmed by this drug.

Negative-feedback inhibition is another method of controlling the synthesis of many molecules within a cell. This control process occurs within an enzyme-controlled reaction sequence. As the number of end products increases, some product molecules feed back to one of the previous reactions and have a negative effect on the enzyme controlling that reaction that is, they inhibit, or prevent, that enzyme from performing at its best.

If the enzyme is inhibited, the end product can no longer be produced at the same rapid rate, and its concentration falls. When there are too few end product molecules to have a negative effect on the enzyme, the enzyme is no longer inhibited. The enzyme resumes its previous optimum rate of operation, and the end product concentration begins to increase. With this kind of regulation, the amount of the product rises and falls within a certain range and never becomes too large or small.

Don't Be Inhibited—Keep Your Memory Alive

Alcohol and drugs can interfere with your "short-term" memory, such as remembering the crazy things you might have done at a party Saturday night. However, they don't seem to get in the way of older memories, such as the biology exam you failed in high school. Neuroscientists thought this is because long-term memories become "hard-wired" into your brain in a way that makes them harder to wipe out. These long-term memories are kept in place by structural changes to the connections between nerve cells, but recent research has made this "simple" explanation more complicated.

The research involved injecting a drug that inhibits the enzyme protein kinase into the cerebral cortex of rat brains where taste memories are thought to reside.

The data revealed that when this enzyme was blocked, the rats forgot a meal that made them sick weeks earlier. The results of these experiments suggest that the continuous activity of this enzyme is somehow necessary to maintain long-term memory. This is something that was not predicted by the hypotheses on the mechanisms of memory formation. Protein kinase and other similar enzymes were thought to only be important in the early stages of memory formation. Now it appears that they are needed to form and sustain long-term memory. One researcher at the University of Arizona in Tucson believes that it's possible that protein kinase can erase all learning, no matter how long it has been stored in memory.

What does the future have in store for the therapeutic applications of such research? Some are thinking about the development of enzyme-altering drugs that could:


5 - Energy and ecosystems Flashcards Preview

How would you calculate percentage efficiency of energy transfer between producers and primary consumers? (2)

PE = energy avail after/energy avail before x 100

The average efficiency of energy transfer between producers and primary consumers in pyramids of energy is around 10 %.
Suggest why the efficiency of energy transfer from producers to primary consumers in this food web is higher than 10 %. (2)

1. Single-celled producers are more digestible / contain less cellulose (than plants) / less energy lost in faeces2. All of producer eaten/parts of plant not eaten3. Less heat/energy lost / less respiration

Energy from the sun may ultimately end up in dead plant matter. Describe how. (2)

1. Photosynthesis/light dependent reaction/light independent reaction2. Carbon-containing substances

The gross productivity of the plants in the field was highest in July (highest temp). Use the data in the table to explain why. (2)

1. High temperature allows enzymes to work faster/allows more collisions/ allows more e-s complexes to be formedأوA lot of light so light not limiting2. Photosynthesis reactions are faster/more photosynthesis

Give the equation that links gross productivity and net productivity. (1)

Gross productivity = net productivity - respiratory loss/respiration

The net productivity of the plants in the field was higher in August than in July. Use the equation in part (b)(i) and your knowledge of photosynthesis and respiration to suggest why. (2)

1. Respiration slower /less respiration2. Light-dependent reaction/photosynthesis less affected by temperature increase3. Lower (energy) loss

A horse was kept in the field from March to October. During the summer months,
the horse was able to eat more than it needed to meet its minimum daily requirements.
Suggest how the horse used the extra nutrients absorbed. (1)

1. Stored as fat/glycogen/biomass2. Used for growth/movement/reproduction / process involved in growth/movement/reproduction

The horse’s mean energy expenditure was higher in March (colder)than it was in August. Use information in the table to suggest why. (2)

1. More heat/energy is lost (in March)/colder (in March)2. Maintain/regulate body temperature/more heat generated 3. By respiration/metabolism

Suggest appropriate units for gross productivity. (1)

KJm-2year-1

Explain the decrease in gross productivity as the woodland matures. (2)

1. Less light / more shading / morecompetition for light2. Reduced photosynthesis

Use the information in Figure 3 and your knowledge of net productivity to explain why
biomass shows little increase after 100 years. (2)

1. Net productivity = gross productivityminus respiratory loss2. Decrease in grossproductivity/photosynthesis /increase in respiration

Rather than use chemical pesticides or biological agents, farmers often use an integrated system of chemical pesticides and biological agents to control agricultural
الآفات. Explain the advantages of using an integrated system to control agricultural pests. (6)

(Biological Agents)1. Only needs one application/يستنسخ2. Specific3. Keeps/maintains low population4. Pests do not develop resistance5. Can use less chemicals /reduces chemical residues / nobioaccumulation(Chemical pesticides)6. Acts quickly7. Can apply to specific area8. Kills all/most/greater variety ofالآفات

Explain how the intensive rearing of domestic livestock increases net productivity. (4)

1. Slaughtered when stillgrowing/before maturity/whileyoung so more energytransferred to biomass/tissue2. Fed on concentrate /controlleddiet / so higher proportion of foodabsorbed/digested/assimilated /used for biomass/tissue / lowerproportion lost in faeces3. Movement restricted so lessheat/energy/respiratory loss4. Heating/Kept warm/ inside so lessheat/energy/respiratoryloss/maintain body temperature5. Genetically selected / selectivebreeding (for high productivity)

In some countries, pigs are reared in intensive units in which the temperature is controlled. Agricultural scientists investigated the effect of temperature on pig growth
and on the efficiency with which the pigs converted food to biomass.
In the investigation, the scientists used pigs of the same breed, with similar genotypes. Explain why. (2)


شاهد الفيديو: Enzymes شرح بالعربي (قد 2022).


تعليقات:

  1. Mezragore

    قرأت مقالك وأحببته ، شكرا لك.

  2. Abdul-Hakam

    أعتذر، لكنها لا تقترب مني.

  3. Dacio

    أعني ، أنت تسمح بالخطأ. يمكنني الدفاع عن موقفي. اكتب لي في PM ، سنناقش.

  4. Kajar

    منحت ، هذا شيء مضحك

  5. Athelstan

    انها الحقيقة.



اكتب رسالة