إنزيم محفز

تأتي هذه التغيرات التوافقية أيضًا ببقايا مُحفزة في الموقع النشِط على مقربة من الروابط الكيميائية في الركيزة التي سيتم تعديلها في رد الفعل. بعد حدوث عملية الربط، تقوم آلية واحدة أو أكثر من آليات التحفيز بتقليل طاقة الحالة الانتقالية للرد التفاعلي، من خلال توفير مسار كيميائي بديل للتفاعل. وهناك ست آليات ممكنة للتحفيز «على الحاجز» وكذلك آلية «من خلال الحاجز»:

تحاكي ردود أفعال ركيزة الإنزيم المجموعات الكيميائية التفاعلية وتعقدها معًا بالقرب من بعضهم البعض في أفضل علم هندسي، مما يزيد من معدل رد الفعل. وهذا يقلل من تداخل من المتفاعلات وبالتالي يقلل من ردود أفعال الإضافة أو النقل غير مؤاتية، منذ انخفاض التداخل العام عندما يصبح متفاعلين منتجًا واحدًا.

هذا التأثير هو مماثل لزيادة فعالة في تركيز المواد الكاشفة. يمنحنا ربط المواد الكاشفة بالإنزيم سلسلة من التفاعلات بين الجزيئات، مما يعطي زيادة معدل كبيرة.

على سبيل المثال، ستقع ردود الفعل المماثلة بشكلٍ أسرع بكثير إذا كان رد الفعل داخل الجزيء.

يمكن تقدير التركيز الفعال للأسيتيت في التفاعل الجزيئي كـ k₂/k₁ = 2 x 10⁵ Molar.

ومع ذلك، قد يكون الوضع أكثر تعقيدًا، لأن الدراسات الحسابية الحديثة قد أثبتت أن الأمثلة التقليدية للآثار القرب لا يمكن أن تكون ذات صلة مباشرة بآثار التدهور الحتمي للإنزيم. وأيضًا، تم اكتشاف أن المقترح الأصلي للانتروبيا يساهم بشدة في انتروبيا التوجيه للمُحفز.

يمكن للمانحين والمستقبلين للبروتون، أي أن الأحماض والقاعدة قد تقوم بالتبرع بالبروتونات أو استقبالها لتحقيق الاستقرار بالنسبة لتكاليف التطوير في الحالة الانتقالية. هذا عادةً ما يكون له تأثير تفعيل مجموعات النيوكليوفيل والإلكتروفيل، أو استقرار مجموعات المغادرة. الهستيدينوغالبًا ما يكون الهستيدين عبارة عن بقايا تشارك في هذه التفاعلات الحمضية / القاعدية، لأنه على ثابت تفكك الحمضمقربة من المحايدة درجة الحموضة، وبالتالي يمكن لكليهما قبول البروتونات أو التبرع بها.

تفترض العديد من آليات التفاعل التي تنطوي على التحفيز الحمضي / القاعدي تغيرًا كبيرًا في ثابت تفكك الحمض.هذا التغير الواقع في ثابت تفكك الحمض محتملاً من خلال البيئة المحلية للبقايا.

يمكن أيضًا أن يتأثر ثابت تفكك الحمض بشكلٍ كبير من البيئة المحيطة، للحد من البقايا التي هي أساسية في الحل قد تكون بمثابة متبرعي البروتون، والعكس صحيح.

على سبيل المثال:-

الثالوث التحفيزي لـ بروتييز السيرين

تشتمل الخطوة الأولية من آلية تحفيز بروتييز السيرين على قبول الحامض الأميني (الهستيدين) للموقع النشِط قبول بروتون من بقايا السيرين.وهذا يجعل من السيرين نيوكليوفيل لمهاجمة الرابطة الأميدية للركيزة.وتشمل هذه الآلية التبرع ببروتون من السيرين (قاعدي، ثابت تفكك الحمض 14) إلى الهستيدين (حمضي، ثابت تفكك الحمض 6)، وكان هذا ممكنًا بسبب البيئة المحلية للقواعد.

من المهم توضيح أن تعديل ثابت تفكك الحمض هو جزء نقي من الآلية الكهربية.^[10]وعلاوة على ذلك، فإن تأثير المُحفز للمثال أعلاه يرتبط أساسًا مع الحد من ثابت تفكك الحمض من أوكسيانيون والزيادة في ثابت تفكك الحمض من الهستيدين، في حين أن نقل البروتون من السيرين إلى الهستيدين غير مُحفز كثيرًا، لأنه ليس هو معدل تحديد الحاجز.

يمكن أيضًا تحقيق استقرار حالات النقل المشحونة بواسطة البقايا في الموقع النشِط مكونة بذلك روابط أيونية (أو تداخلات شحن أيونية جزئية) مع الوسيط.ويمكن أن تأتي هذه الروابط إما من سلاسل جانبية حمضية أو قاعدية موجودة على الأحماض الأمينية مثل ليسين أو أرجينين أو حمض الأسبارتيك أو حمض الجلوتاميك أو تأتي من عوامل مساعدة معدنية مثل الزنك. الأيونات المعدنية فعالة بشكل خاص ويمكن أن تقلل من ثابت تفكك الحمض من الماء بما فيه الكفاية لجعله نوكليوفيل فعال.

وقد أثبتت دراسات المحاكاة الحاسوبية المنهجية أن التأثيرات الكهروستاتيكية تعطي، إلى حد بعيد، أكبر مساهمة في التحفيز على وجه الخصوص، وفقد تبين أن الإنزيم يوفر بيئة قطبية أكثر من الماء، وأن حالات الانتقال الأيونية تستقر بواسطة ثنائيات القطب الثابتة.وهذا يختلف كثيرًا عن استقرار الحالة الانتقالية في الماء، حيث جزيئات الماء يجب أن تدفع بما يُسمى «إعادة تنظيم الطاقة». من أجل تحقيق استقرار الحالات الأيونية والمشحونة. وهكذا، يرتبط التحفيز مع حقيقة أن مجموعات الإنزيم القطبية أعيد ترتيبها.

وقد تبين أن حجم الحقل الكهروستاتيكي المبذول بفعل موقع الإنزيم النشط مرتبط ارتباطًا وثيقًا بتحسن معدل التحفيز الإنزيمي.

عادةً ما يتبع ربط الركيزة استبعاد المياه من الموقع النشِط، وبالتالي يتم خفض ثابت العزل المحلي لذلك المذيب العضوي. وهذا يقوي التفاعلات الكهروستاتيكية بين الركائز المشحونة/القطبية والمواقع النشطة. وبالإضافة إلى ذلك، أظهرت الدراسات أن توزيع الشحنات حول المواقع النشطة يتم ترتيبها من أجل تحقيق الاستقرار في حالات الانتقال من ردود الفعل المُحفزة. وفي العديد من الإنزيمات، على ما يبدو أن توزيع هذه الشحنات لتوجيه الركائز القطبية نحو مواقع الربط ولذلك معدلات هذه التفاعلات الأنزيمية أكبر من حدودها الظاهرة التي يسيطر عليها الانتشار.

ويستقر وسيط رباعي السطوح من قِبل الرابطة الأيونية الجزئية بين الأيون Zn²⁺ والشحنة السالبة على الأكسجين.

1. تريوس الفوسفات إيزوميراز
2. التربسين
3. ألدولاز

Kamerlin, S. C.; Warshel, A (2010). "At the dawn of the 21st century: Is dynamics the missing link for understanding enzyme catalysis?". Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 78 (6): 1339–75. doi:10.1002/prot.22654. PMC 2841229 Freely accessible. PMID 20099310.

Koshland DE (February 1958). "Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 44 (2): 98–104. Bibcode:1958PNAS...44...98K. doi:10.1073/pnas.44.2.98. PMC 335371 Freely accessible. PMID 16590179.

Anslyn, E.V.; Dougherty, D.A. (2006). Modern Physical Organic Chemistry. University Science Books. ISBN 1-891389-31-9.

Savir Y; Tlusty T (2007). Scalas, Enrico, ed. "Conformational Proofreading: The Impact of Conformational Changes on the Specificity of Molecular Recognition" (PDF). PLOS ONE. 2 (5): e468. Bibcode:2007PLoSO...2..468S. doi:10.1371/journal.pone.0000468. PMC 1868595 Freely accessible. PMID 17520027.open access publication – free to read

Stanton, R.V.; Perakyla, M.; Bakowies, D.; Kollman, P.A. (1998). "Combined ab initio and Free Energy Calculations To Study Reactions in Enzymes and Solution: Amide Hydrolysis in Trypsin and Aqueous Solution". J. Am. Chem. Soc. 120 (14): 3448–3457. doi:10.1021/ja972723x.

Kuhn, B.; Kollman, P.A. (2000). "QM-FE and Molecular Dynamics Calculations on Catechol O-Methyltransferase: Free Energy of Activation in the Enzyme and in Aqueous Solution and Regioselectivity of the Enzyme-Catalyzed Reaction". J. Am. Chem. Soc. 122 (11): 2586–2596. doi:10.1021/ja992218v.

Bruice, T.C.; Lightstone, F.C. (1999). "Ground State and Transition State Contributions to the Rates of Intramolecular and Enzymatic Reactions". Acc. Chem. Res. 32 (2): 127–136. doi:10.1021/ar960131y.

Page, M.I.; Jencks, W.P. (1971). "Entropic Contributions to Rate Accelerations in Enzymic and Intramolecular Reactions and the Chelate Effect". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 68: 1678–1683. Bibcode:1971PNAS...68.1678P. doi:10.1073/pnas.68.8.1678. PMC 389269 Freely accessible. PMID 5288752.

Warshel, A.; Parson, W.W. (2001). "Dynamics of Biochemical and Biophysical Reactions: Insight from Computer Simulations". Quart. Rev. Biophys. 34: 563–679. doi:10.1017/s0033583501003730.

Warshel, A.; Sharma, P.K.; Kato, M.; Xiang, Y.; Liu, H.; Olsson, M.H.M. (2006). "Electrostatic Basis of Enzyme Catalysis". Chem. Rev. 106: 3210–3235. doi:10.1021/cr0503106. PMID 16895325.

Warshel, A.; Naray-Szabo, G.; Sussman, F.; Hwang, J.-K. (1989). "How do Serine Proteases Really Work?". Biochemistry. 28: 3629–37. doi:10.1021/bi00435a001. PMID 2665806.

Holmes, KC; Angert, I; Kull, FG; Jahn, W; Schroder, RR. (2003). "Electron cryo-microscopy shows how strong binding of myosin to actin releases nucleotide". Nature. 425: 423–427. Bibcode:2003Natur.425..423H. doi:10.1038/nature02005. PMID 14508495.

Warshel, A (1978). "Energetics of Enzyme Catalysis". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 75: 5250–5254. Bibcode:1978PNAS...75.5250W. doi:10.1073/pnas.75.11.5250. PMC 392938 Freely accessible. PMID 281676.

"EXTREME ELECTRIC FIELDS POWER CATALYSIS IN THE ACTIVE SITE OF KETOSTEROID ISOMERASE", [1]

"How Enzymes Work"

Lymn, RW; Taylor, EW. (1971). "Mechanism of adenosine triphosphate hydrolysis by actomyosin". Biochemistry. 10: 4617–4624. doi:10.1021/bi00801a004.

Siemankowski, RF; Wiseman, MO; White, HD. (1985). "ADP dissociation from actomyosin subfragment 1 is sufficiently slow to limit the unloaded shortening velocity in vertebrate muscle". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 82: 658–662. Bibcode:1985PNAS...82..658S. doi:10.1073/pnas.82.3.658.

White, HD; Belknap, B; Webb, MR. (1997). "Kinetics of nucleoside triphosphate cleavage and phosphate release steps by associated rabbit skeletal actomyosin, measured using a novel fluorescent probe for phosphate". Biochemistry. 36: 11828–11836. doi:10.1021/bi970540h.

Tirosh, R; Low, WZ; Oplatka, A. (1990). "Translational motion of actin filaments in the presence of heavy meromyosin and MgATP as measured by Doppler broadening of laser light scattering". Biochim. Biophys. Acta. 1037: 274–280. doi:10.1016/0167-4838(90)90025-b.

• Alan Fersht, Structure and Mechanism in Protein Science : A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding. W. H. Freeman, 1998. (ردمك 0-7167-3268-8)
• Dedicated issue of Philosophical Transactions B on Quantum catalysis in enzymes freely available.^{[وصلة مكسورة]}

• بوابة علم الأحياء
• بوابة علم الأحياء الخلوي والجزيئي
• بوابة الكيمياء الحيوية