Difuzijski limitirani enzim

Difuzijski limitirani enzim, poznat i kao katalitski perfektan enzim, je enzim sa katalitskom reakcijom koja je tako efikasna da je stopa ograničavajućeg koraka difuzija supstrata u aktivno mjesto, ili difuzija proizvoda – napolje. Ovo je također poznato kao kinetičkog savršenstvo ili katalitsko savršenstvo. S obzirom da je stopa katalize takvih enzima određena kontrolom difuzije, ono predstavlja suštinsko, fizičko ograničenje za evoluciju (maksimalna visina fitnesa u određenom okruženju). Difuzijom ograničeni, savršeni enzimi su vrlo rijetki. Većina enzima kataliziraju reakcije brzinom koja je oko 1.000-10.000 puta sporija od tog ograničenja. To je zbog toga što je ograničenje teška hemijska reakcija, a evolucijska ograničenja koja imaju tako visoke stope reakcija, ne daju nikakav dodatni fitnes.

Distribucija poznate katalitske stope enzima (k_cat/K_M). Većina enzima ima stopu oko 10⁵ s⁻¹M⁻¹.
Najbrži enzima u tamnom boksu desno (>10⁸ s⁻¹M⁻¹) su ograničeni limitom difuzije.)

Historija

Ilustracija (a) Alberty-Hammes-Eigenovog modela i (b) Chouovog modela
E je enzim čije jeaktivno mjesto označeno crveno, a supstrat S – plavo.

Teoriju difuzijski kontrolirane reakcije su originalno predložili R.A. Alberty, Gordon Hammes i Manfred Eigen u procjeni gornjeg limita reakcije enzim-supstrat. Prema njihovoj procjeni, gornji limit reakcije enzim-supstrat bio je 10⁹ M⁻¹ s⁻¹. U 1972., u dehidraciji H₂CO₃ koja je katalizirana ugljik anhidrazom, stopa konstante drugog reda, koja je dobijena eksperimentalno, bila je oko 1.5 × 10¹⁰ M⁻¹ s⁻¹, što je bila jedna red veličine većih od gornje granice koju su procijenili Alberty, Hammes i Eigen, zasnovano na pojednostavljenom modelu.

Za rješavanje takvog paradoksa, Kuo-Chen Chou i njegovi suradnici predložili su model koji uzima u obzir prostorni faktor i snaga na terenu između enzima i njegove podloge i otkrili da gornja granica može dostići 10¹⁰ M⁻¹ s⁻¹, i može objasniti iznenađujuće visoke stope reakcije u molekularnoj biologiji.

Novi gornji limit koji su našli Chou et al. Za reakciju enzim-supstrat je dalje didkutiran i analiziran u više istraživanja.

U narednim radovima, detaljno analizirano poređenje između pojednostavljenog Alberty-Hammes-Eigenovog modela (a) i Chouovog modela (b), u kalkulaciji difuzijom kontrolirane stope reakcije.

Mehanizam

Kinetički perfektni enzimi imaju konstantu specifičnosti, k_cat/K_m, na razini 10⁸ to 10⁹ M⁻¹ s⁻¹. Ova stopa enzimski kataliziranih reakcija je ograničena difuzijom i tako enzim procesuira supstrat i prije nego što naiđe druga molekula. Neki enzimi djeluju uz kinetiku koja je brža od stope difuzije, što je, čini se, nemoguće. Nekoliko mehanizama je prizivano i da objasne ovaj fenomen. Za neke proteine se vjeruje da ubrzavaju katalizu povlačenjem svoje podloge i preusmjeravaju ih pomoću dipolarnog električnog polja. Neki se pozivaju na kvantno-mehaničko tuneliranje. Objašnjenje u kojem proton ili elektron može tunelirati kroz aktivirane barijere, iako protonsko tuneliranje ostaje pomalo kontroverzna ideja.^{(popraviti prijevod)}

Evolucija

Važno je napomenuti da nema mnogo kinetički savršenih enzima. To se može objasniti djelovanjem prirodne selekcije. Povećanje katalitičke brzine može biti favorizirano jer može donijeti neke prednosti za organizam. Međutim, kada katalitska brzina nadmašuje brzinu difuzije (odnosno podloge ulaze i izlaze iz aktivnog mjesta i susreću sa podlogom) ne postoji više prednost, ako se još više poveća brzina. Granica difuzije predstavlja apsolutno fizičko ograničenje u evoluciji. Povećanje prošle katalitske brzine i brzina difuzije neće pomoći organizmu na bilo koji način i tako predstavlja globalni maksimum u fitnesu na okoliš. Stoga ova savršena enzima mora da je došlo do "sreće" random mutacija koji se dogodilo da se širi, ili zato što je veće brzine je nekada bila korisna kao dio različitih reakcija u poreklo enzima.

Primjeri

• Acetilholin esteraza
• β-laktamaze
• Katalaza
• Karboanhidraza
• Citohrom c peroksidaza
• Fumaraza
• Superoksid dismutaza
• Triozafosfat izomeraza