Химическая специфичность - Википедия - Chemical specificity

Химическая специфичность это способность белок с сайт привязки связывать конкретные лиганды. Чем меньше лигандов может связывать белок, тем выше его специфичность.

Специфика описывает сила связывания между данным белком и лигандом. Эти отношения можно описать как константа диссоциации, который характеризует баланс между связанными и несвязанными состояниями для системы белок-лиганд.[1] В контексте одного фермента и пары связывающих молекул два лиганда можно сравнить как более сильные или более слабые лиганды (для фермента) на основе их констант диссоциации. (Более низкое значение соответствует более сильному связыванию.)

Специфичность набора лигандов не связана со способностью фермент к катализировать данная реакция с лигандом в качестве субстрата [1]

Если данный фермент имеет высокую химическую специфичность, это означает, что набор лигандов, с которыми он связывается, ограничен, так что ни события связывания, ни катализ не могут происходить с заметной скоростью с дополнительными молекулами.

Примером пары белок-лиганд, связывающая активность которой может быть описана как высокоспецифичная, является антитело -антиген система.[2] И наоборот, примером системы белок-лиганд, которая может связывать субстраты и эффективно катализировать множественные реакции, является Цитохром P450 систему, которую можно считать беспорядочный фермент из-за его широкой специфичности к множеству лигандов.

Основа

Привязка

Взаимодействия между белком и лигандом существенно влияют на специфичность между двумя объектами. Электростатические взаимодействия и Гидрофобные взаимодействия известны как наиболее влиятельные в отношении того, откуда происходит специфичность между двумя молекулами.[1] Сила этих взаимодействий между белком и лигандом положительно коррелирует с их специфичностью друг к другу.

Катализ

Ферментная специфичность относится к взаимодействиям между любым конкретным ферментом и его соответствующим субстратом. В дополнение к специфичности связывания его субстратов, правильная близость и ориентация, а также связывание переходного состояния обеспечивают дополнительный уровень специфичности фермента.

Типы

Ферменты различаются по специфичности субстратов, с которыми они связываются, чтобы выполнять определенные физиологические функции. Некоторые ферменты могут быть менее специфичными и, следовательно, могут связываться с многочисленными субстратами, чтобы катализировать реакцию. С другой стороны, определенные физиологические функции требуют крайней специфичности фермента для одного специфического субстрата, чтобы иметь место надлежащая реакция и физиологический фенотип. Различные типы категоризации различаются в зависимости от их специфичности для субстратов. Чаще всего их делят на четыре группы: абсолютная, групповая, сцепленная и стереохимическая специфичность.

Абсолютная специфичность

Абсолютную специфичность можно рассматривать как исключительную, когда фермент действует на один конкретный субстрат.[3] Абсолютно специфические ферменты будут катализировать только одну реакцию со своим специфическим субстратом. Например, лактаза - это фермент, специфичный для расщепления лактозы на два моносахарида сахара, глюкозу и галактозу. Другой пример Глюкокиназа, который представляет собой фермент, участвующий в фосфорилировании глюкозы до глюкозо-6-фосфата. Он в первую очередь активен в печени и является основным изоферментом Гексокиназа.[4] Его абсолютная специфичность относится к глюкозе, являющейся единственной гексозой, которая может быть его субстратом, в отличие от гексокиназы, которая вмещает множество гексоз в качестве субстрата.

Групповая специфика

Групповая специфичность возникает, когда фермент будет реагировать только с молекулами, имеющими определенные функциональные группы, такие как ароматические структуры, фосфатные группы и метилы.[5] Одним из примеров является пепсин, фермент, который имеет решающее значение для переваривания пищи, потребляемой в нашем рационе, который гидролизует пептидные связи между гидрофобными аминокислотами с распознаванием ароматических боковых цепей, таких как фенилаланин, триптофан и тирозин. Другой пример - гексокиназа, фермент, участвующий в гликолизе, который фосфорилирует глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата. Этот фермент проявляет групповую специфичность, позволяя использовать в качестве субстрата несколько гексоз (6 углеродных сахаров).[6] Глюкоза является одним из наиболее важных субстратов в метаболических путях с участием гексокиназы из-за ее роли в гликолизе, но это не единственный субстрат, с которым гексокиназа может катализировать реакцию.

Специфичность связи

Реакция, которая иллюстрирует, как фермент расщепляет определенную связь реагента с образованием двух продуктов.

Специфичность связывания, в отличие от специфичности группы, распознает определенные типы химической связи. Это отличается от групповой специфичности, так как не зависит от присутствия конкретных функциональных групп для катализа конкретной реакции, а скорее от определенного типа связи (например, пептидной связи).

Стереохимическая специфичность

Сахара, содержащие альфа-гликозидные связи

Этот тип специфичности чувствителен к оптической ориентационной активности субстрата. Стереохимические молекулы различаются по способу вращения плоскополяризованного света или ориентации связей (см. Альфа-, бета-гликозидные связи). Ферменты, которые являются стереохимически специфичными, будут связывать субстраты с этими специфическими свойствами. Например, бета-гликозидаза будет реагировать только с бета-гликозидными связями, которые присутствуют в целлюлозе, но не присутствуют в крахмале и гликогене, которые содержат альфа-гликозидные связи. Это имеет отношение к тому, как млекопитающие могут переваривать пищу. Например, фермент Амилаза присутствует в слюне млекопитающих, которая стереоспецифична для альфа-связей, поэтому млекопитающие могут эффективно использовать крахмал и гликоген в качестве форм энергии, но не целлюлозу (потому что это бета-связь).

Определение

kd, известна как удельная константа равновесной диссоциации для образования комплекса фермент-субстрат. kd используется как мера сродства, причем более высокие значения указывают на более низкое сродство.

Для данного уравнения (E = фермент, S = субстрат, P = продукт)

k1 k2

E + S <--> ES <--> E + P

к-1

kd будет эквивалентно k-1 / k1, где k1 и k-1 - скорости прямой и обратной реакции, соответственно, при превращении отдельных E и S в комплекс ферментного субстрата.

Приложение к кинетике ферментов

Химическая специфичность фермента для конкретного субстрата может быть найдена с использованием двух переменных, которые выводятся из уравнения Михаэлиса-Ментен. км приближается к константа диссоциации фермент-субстратных комплексов. kcat представляет скорость оборота или количество реакций, катализируемых ферментом, по сравнению с количеством фермента. kcat на км известен как константа специфичности, который дает меру сродства субстрата к определенному ферменту. Это соотношение, также известное как эффективность фермента, показывает, что фермент предпочитает определенный субстрат. Чем выше константа специфичности фермента, тем выше его предпочтение.

Значимость

Актуальность медицинских исследований

Ферментативная специфичность дает полезную информацию о структура фермента, который в конечном итоге определяет и играет роль в физиологических функциях.[7] Исследования специфичности также могут предоставить информацию о каталитическом механизме.

Специфичность важна для открытия новых лекарств и области клинических исследований, поскольку новые лекарства тестируются на его специфичность к молекуле-мишени в различных раундах клинических испытаний. Лекарства должны содержать как можно более специфические структуры, чтобы свести к минимуму возможность нецелевого воздействия, которое может вызвать неблагоприятные симптомы у пациента. Лекарства зависят от специфичности разработанных молекул и составов для ингибирования определенных молекулярных мишеней.[1] Открытие новых лекарств прогрессирует с экспериментами с использованием высокоспецифичных соединений. Например, должно быть доказано, что лекарство успешно действует, как способность связывать целевой рецептор в физиологической среде с высокой специфичностью, так и его способность передавать сигнал для получения благоприятного биологического эффекта против болезни или заболевания, которое препарат предназначен для нейтрализации.[8]

Приложения

Научные методы, такие как иммуноокрашивание, зависят от химической специфичности. Иммуноокрашивание использует химическую специфичность антител для обнаружения интересующего белка на клеточном уровне.[9] Другой метод, основанный на химической специфичности, - это вестерн-блоттинг, который используется для обнаружения определенного интересующего белка в ткани. Этот метод включает гель-электрофорез с последующим переносом образца на мембрану, окрашенную антителами. Антитела специфичны для целевого белка, представляющего интерес, и будут содержать флуоресцентную метку, сигнализирующую о присутствии белка, представляющего интерес для исследователя.[10]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Eaton, Bruce E .; Золото, Ларри; Зичи, Доминик А. (1995-10-01). «Давайте конкретизируем: взаимосвязь между спецификой и сходством». Химия и биология. 2 (10): 633–638. Дои:10.1016/1074-5521(95)90023-3. PMID  9383468.
  2. ^ Танфорд, Чарльз (1968). «Химическая основа разнообразия и специфичности антител». Отчеты о химических исследованиях. 1 (6): 161–167. Дои:10.1021 / ar50006a001.
  3. ^ «Ферментная специфичность» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-05-08.
  4. ^ «Глюкокиназа GCK [Homo sapiens (человек)] - Ген - NCBI». www.ncbi.nlm.nih.gov. Получено 2016-06-12.
  5. ^ "Центр биомолекулярного моделирования MSOE - Учебные пособия по структуре белка Jmol"> ". cbm.msoe.edu. Получено 2016-05-19.
  6. ^ Сенер, А; Giroix, M H; Dufrane, S.P; Malaisse, WJ (1 сентября 1985 г.). «Аномерная специфичность активности гексокиназы и глюкокиназы в печени и клетках, продуцирующих инсулин». Биохимический журнал. 230 (2): 345–351. Дои:10.1042 / bj2300345. ISSN  0264-6021. ЧВК  1152624. PMID  3902008.
  7. ^ Пи, На; Лири, Джули А. (2004-02-01). «Определение констант ферментной / субстратной специфичности с использованием множественного субстратного анализа ESI-MS». Журнал Американского общества масс-спектрометрии. 15 (2): 233–243. Дои:10.1016 / j.jasms.2003.10.009. PMID  14766290.
  8. ^ "Drug_receptor_theory [TUSOM | Pharmwiki]". tmedweb.tulane.edu. Получено 2016-06-11.
  9. ^ Мэйти, Бисванат; Шефф, Дэвид; Фишер, Рори А. (01.01.2013). Иммуноокрашивание: определение местоположения сигнального белка в тканях, клетках и субклеточных компартментах.. Методы клеточной биологии. 113. С. 81–105. Дои:10.1016 / B978-0-12-407239-8.00005-7. ISBN  9780124072398. ISSN  0091-679X. PMID  23317899.
  10. ^ Bass, J. J .; Уилкинсон, Д. Дж .; Ранкин, Д .; Phillips, B.E .; Szewczyk, N.J .; Smith, K .; Атертон, П. Дж. (05.06.2016). «Обзор технических аспектов применения Вестерн-блоттинга в физиологических исследованиях». Скандинавский журнал медицины и науки о спорте. 27 (1): 4–25. Дои:10.1111 / смс.12702. ISSN  1600-0838. ЧВК  5138151. PMID  27263489.