معلومة

اقتران كيميائي حيوي بين اثنين من التفاعلات الأنزيمية - الإنزيمات المرتبطة جسديا؟

اقتران كيميائي حيوي بين اثنين من التفاعلات الأنزيمية - الإنزيمات المرتبطة جسديا؟



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.

أتساءل ما هو التعريف الدقيق للاقتران الكيميائي الحيوي بين تفاعلين إنزيميين. أعلم أن هذين التفاعلين الأنزيمات يجب أن يكونا كذلك

  1. مشاركة نفس الوسيط (ق)

  2. أحدهما مواتٍ من الناحية الديناميكية الحرارية والآخر ليس كذلك.

لذلك يمكن أن يحدث التفاعل غير المواتي من الناحية الديناميكية الحرارية عندما يقترن بالتفاعل الإيجابي للديناميكا الحرارية. أريد فقط أن أؤكد أن: هل يجب أن يرتبط هذان الإنزيمان جسديًا ببعضهما البعض؟ بما أنه ليس لدي أي دليل يدعم التفاعلات الجسدية بين هذين الإنزيمين ، فهل لا يزال بإمكاني استخدام مصطلح "اقتران كيميائي حيوي"؟

تشكرات.


لا تحتاج الإنزيمات إلى تفاعلات فيزيائية للتفاعلات الزوجية. تشترك بعض الإنزيمات في وحدات فرعية مرتبطة جسديًا ، لكن هذه حالة خاصة. تقدم المراجعة التالية نوعًا من الأمثلة العامة أثناء تحلل السكر ،

على سبيل المثال ، في المسار الكيميائي الحيوي الذي يكسر الجلوكوز للحصول على الطاقة ، يعمل إنزيمان واحدًا تلو الآخر لإنشاء جزيء ATP عالي الطاقة:

يمكننا أيضًا إلقاء نظرة على تفاعل peptidyltransferase أثناء خطوة الاستطالة في الترجمة. في وقت سابق ، حفز مركب aminoacyl tRNA synthetase الإضافة التساهمية للحمض الأميني إلى الحمض الريبي النووي النقال المرتبط به. توفر الطاقة الناتجة عن تحطيم هذه الرابطة في الريبوسوم طاقة لأنزيم peptidyltransferase لربط الأحماض الأمينية معًا. هذا لا يفترض أن ATP / GTP الذي تحتاجه عوامل الاستطالة ، إلخ.


في أي نظام مقترن يعتمد نشاط أحد المكونات على الآخر. على سبيل المثال ، يقترن الترجمة والنسخ ؛ الترجمة هنا تعتمد على النسخ وليس العكس. لا يلزم أن تكون أداة التوصيل ثنائية الاتجاه.

ليس هناك شك في الديناميكا الحرارية غير المواتية.

للتفاعلات البيوكيميائية المقترنة:

  • يجب أن يعتمد أحد ردود الفعل على الآخر. في الأنظمة متعددة المكونات يجب أن يكون هناك على الأقل تبعية ثنائية الاتجاه أحادية الاتجاه (A → B ، B → C ، C → D). بمعنى آخر ، يجب أن يكون هناك مسار يربط بين جميع المكونات.
  • ليس هناك حاجة إلى أي تفاعل جسدي

حركية ميكايليس مينتين ☆

تفاعلات متعددة الركائز

تسمى تفاعلات الإنزيم مع ركيزة واحدة ومنتج واحد ، مثل تلك الموصوفة أعلاه ، التفاعلات الأحادية وتمثل أقلية من التفاعلات التي تحدث في عملية التمثيل الغذائي. للتفاعلات متعددة الركائز ، يتم تعيين المتفاعلات A ، B ، C ، D ... للركائز أحادية وثنائية وثلاثية ورباعية التفاعل. تم تعيين المنتجات P ، Q ، R ، S…. تتشابه معادلات Michaelis-Menten مع المعادلات التي تم النظر فيها سابقًا ، لكن التعقيد يزداد بشكل كبير (Cook and Cleland ، 2007).

يمكن توضيح تفاعل ثنائي المنتج ثنائي النواتج من خلال ما يلي:

يمكن طلب التفاعل مع دمج A مع الإنزيم (E) قبل B. ويمكن أيضًا طلب إطلاق المنتجات مع فصل P من الإنزيم قبل Q. Pyruvate kinase (EC 2.7.1.40) يحفز التفاعل التالي: البيروفات + ATP Φ ADP + فوسفوينول بيروفات. يتوسط هذا الإنزيم تفاعل ثنائي ثنائي متسلسل مرتب. تم رسم هذه التفاعلات على النحو التالي (Cleland ، 1970):

قد يكون التفاعل عشوائيًا (إما أن A أو B يمكن أن يتحد مع الإنزيم ، ويمكن أن ينفصل P أو Q عن الإنزيم). Adenylate kinase (EC 2.7.4.3) يحفز التفاعل التالي: ATP + AMP Φ ADP + ADP. يتوسط هذا الإنزيم تفاعل متسلسل ثنائي ثنائي الترتيب عشوائيًا. يتم وصف هذا النوع من التفاعل على النحو التالي:

تتمثل إحدى خصائص كل من التفاعل الترتيب العشوائي والتفاعل الإجباري في أن المركب الثلاثي يشتمل على ركيزتين وإنزيم يتشكل قبل إطلاق أي منتجات.

على النقيض من التفاعل العشوائي أو الإجباري ، في تفاعلات كرة الطاولة أو الإزاحة المزدوجة ، يتم إطلاق منتج واحد قبل ربط الركيزة الثانية. وهكذا ، فإن الركيزة الأولى ترتبط بالإنزيم ، وتنقل قطعة من نفسها إلى الإنزيم ، وتتفكك باعتبارها المنتج الأول قبل أن يرتبط المتفاعل الثاني. يلتقط المتفاعل الثاني القطعة المنقولة وينفصل كمنتج ثانٍ. يعرض Aspartate aminotransferase (EC 2.6.1.1) وغيره من الترانسامينازات آليات بينج بونج. يتفاعل الأسبارتات مع الإنزيم ، وينقل مجموعته الأمينية إلى العامل المساعد للبيريدوكسال فوسفات الإنزيم ، ويتفكك على شكل أوكسالأسيتات. ثم يرتبط α-ketoglutarate بالإنزيم المعدل ، ويلتقط المجموعة الأمينية ، وينفصل عن الجلوتامات. تم توضيح هذا النوع الرئيسي الثالث من التفاعل ثنائي الجزيء في الرسم البياني التالي حيث يشير E إلى أن الإنزيم موجود في شكل معدل كيميائيًا.


8.1 قوانين الديناميكا الحرارية

الديناميكا الحرارية يشير إلى دراسة نقل الطاقة وتحويلها # 8211. تسمى المادة وبيئتها ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة بالنظام ، وكل شيء خارج هذا النظام يسمى البيئة المحيطة. على سبيل المثال ، عند تسخين قدر من الماء على الموقد ، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. يتم نقل الطاقة داخل النظام (بين الموقد والوعاء والماء). هناك نوعان من الأنظمة: مفتوحة ومغلقة. النظام المفتوح هو النظام الذي يمكن فيه نقل الطاقة بين النظام ومحيطه. نظام الموقد مفتوح لأن الحرارة يمكن أن تضيع في الهواء. النظام المغلق هو النظام الذي لا يمكنه نقل الطاقة إلى محيطه.

الكائنات البيولوجية هي أنظمة مفتوحة. يتم تبادل الطاقة بينهم وبين محيطهم ، حيث يستهلكون جزيئات تخزين الطاقة ويطلقون الطاقة إلى البيئة من خلال القيام بالعمل. مثل كل الأشياء في العالم المادي ، تخضع الطاقة لقوانين الفيزياء. تتحكم قوانين الديناميكا الحرارية في نقل الطاقة بين جميع الأنظمة في الكون.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

يتعامل القانون الأول للديناميكا الحرارية مع الكمية الإجمالية للطاقة في الكون. تنص على أن هذا المقدار الإجمالي للطاقة ثابت. بعبارة أخرى ، كان هناك دائمًا وسيظل دائمًا نفس القدر من الطاقة في الكون. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، يمكن نقل الطاقة من مكان إلى آخر أو تحويلها إلى أشكال مختلفة ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. تحدث عمليات نقل وتحولات الطاقة من حولنا طوال الوقت. تحول المصابيح الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. تعمل مواقد الغاز على تحويل الطاقة الكيميائية من الغاز الطبيعي إلى طاقة حرارية. تقوم النباتات بأحد أكثر تحولات الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة داخل الجزيئات العضوية (الشكل 8.2). تظهر بعض الأمثلة على تحولات الطاقة في الشكل 8.7.

التحدي الذي يواجه جميع الكائنات الحية هو الحصول على الطاقة من محيطها في أشكال يمكنها نقلها أو تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام للقيام بالعمل. تطورت الخلايا الحية لمواجهة هذا التحدي بشكل جيد للغاية. يتم تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة داخل الجزيئات العضوية مثل السكريات والدهون من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية الخلوية إلى طاقة داخل جزيئات ATP. يمكن الوصول بسهولة إلى الطاقة في جزيئات ATP للقيام بالعمل. تتضمن أمثلة أنواع العمل الذي تحتاجه الخلايا القيام به بناء جزيئات معقدة ، ونقل المواد ، وتشغيل حركة الضرب للأهداب أو الأسواط ، وتقلص ألياف العضلات لخلق الحركة ، والتكاثر.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها لإنجاز العمل بسيطة. ومع ذلك ، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب كون هذه المهام أصعب مما تبدو عليه. لا تعتبر أي من عمليات نقل الطاقة التي ناقشناها ، إلى جانب جميع عمليات نقل وتحولات الطاقة في الكون ، فعالة تمامًا. في كل عملية نقل للطاقة ، يتم فقد قدر من الطاقة بشكل غير صالح للاستعمال. في معظم الحالات ، هذا النموذج هو الطاقة الحرارية. ديناميكا حرارية طاقة حرارية يتم تعريفها على أنها الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر لا يقوم بعمل. على سبيل المثال ، عندما تطير طائرة في الهواء ، تُفقد بعض طاقة الطائرة الطائرة كطاقة حرارية بسبب الاحتكاك مع الهواء المحيط. يؤدي هذا الاحتكاك في الواقع إلى تسخين الهواء عن طريق زيادة سرعة جزيئات الهواء مؤقتًا. وبالمثل ، يتم فقدان بعض الطاقة كطاقة حرارية أثناء تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي. هذا جيد للمخلوقات ذوات الدم الحار مثلنا ، لأن الطاقة الحرارية تساعد في الحفاظ على درجة حرارة أجسامنا (الشكل 8.2). لا يوجد نقل للطاقة فعال تمامًا ، لأن بعض الطاقة تُفقد في صورة غير صالحة للاستعمال.

كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام إلى المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. يشير العلماء إلى مقياس العشوائية أو الاضطراب داخل النظام على أنه غير قادر علي. الانتروبيا المرتفعة تعني اضطرابًا عاليًا وطاقة منخفضة (الشكل 8.3). لفهم الكون بشكل أفضل ، فكر في غرفة نوم الطالب. إذا لم يتم وضع أي طاقة أو عمل فيه ، فستصبح الغرفة فوضوية بسرعة. سيكون موجودًا في حالة مضطربة للغاية ، حالة انتروبيا عالية. يجب وضع الطاقة في النظام ، في شكل قيام الطالب بالعمل ووضع كل شيء بعيدًا ، من أجل إعادة الغرفة إلى حالة النظافة والنظام. هذه الحالة هي حالة ذات إنتروبيا منخفضة. تحتوي الجزيئات والتفاعلات الكيميائية على كميات متفاوتة من الانتروبيا أيضًا. على سبيل المثال ، عندما تصل التفاعلات الكيميائية إلى حالة من التوازن ، تزداد الإنتروبيا ، وعندما تنتشر الجزيئات ذات التركيز العالي في مكان واحد وتنتشر ، تزداد الإنتروبيا أيضًا.


الملخص

نحن نحقق في تصنيف آليتين أو أكثر من آليات التفاعل المقترحة لكل من التفاعلات الأنزيمية التذبذبية التالية: (1) تفاعل البيروكسيديز − أوكسيديز (2) التذبذبات المحللة للجلوكوز (3) تذبذبات AMP الدورية في خلايا العفن الوحل (4) تذبذبات الأس الهيدروجيني الأنزيمية (5) ارتفاع الكالسيوم في العصارة الخلوية. نحن نستخدم العمل المسبق في تحليل الشبكة المتكافئة وتصنيف التفاعلات التذبذبية لتحديد الأنواع الأساسية وغير الضرورية في كل آلية تفاعل مقترحة ، والدور المحدد لكل نوع أساسي ، وترابط الأنواع الأساسية ، بما في ذلك تحديد التفاعلات التي تؤدي إلى عدم الاستقرار التذبذب والفئة. لكل نموذج ، نتوقع نتائج العديد من التجارب بما في ذلك السعات النسبية ، واتساع التبريد ، وتحولات الطور ، وعلامة تحولات التركيز الرمزية ومقارنتها مع تلك من التجارب المتاحة. توفر هذه التجارب والعديد من التجارب الأخرى مثل تحليل التشعب ، ومنحنيات استجابة الطور ، وتجارب الالتفاف ، واستجابة الأنواع النبضية النوعية والكمية ، وتجارب التأخير ، والاضطراب الدوري الخارجي اختبارات صارمة لآليات التفاعل المقترحة ، ويقترح منها ما يناسبها للتمييز بين الآليات المتنافسة لـ رد فعل معين. نجد ضرورة إدخال فئة فرعية جديدة في تصنيفنا للتفاعلات المتذبذبة. ترد تفاصيل تحليل التفاعلات 2-5 والطرق التي تحدد الفئات في المعلومات الداعمة.

لمن ينبغي أن تعالج المراسلات.

نُشر الملخص في ملخصات ACS المتقدمة ، 15 أبريل 1996.


مناقشة

ابتداءً من الستينيات ، أصبحت التذبذبات الحالّة للجليك واحدة من أفضل المذبذبات البيوكيميائية المدروسة في كل من المستخلصات الخالية من الخلايا [26،38،53] وفي الخلايا الحية [28،54]. في وقت لاحق وجد في الدراسات التي أجريت على مجموعات خلايا الخميرة أن التذبذبات الحالة للجلوكوز تمثل ظاهرة جماعية. تتم مزامنة التذبذبات في الخلايا الفردية من خلال تبادل المواد الوسيطة الأيضية مثل الأسيتالديهيد [55] أو الجلوكوز [56]. في كثافات الخلايا المنخفضة تختفي التذبذبات على مستوى السكان (بشكل متزامن في جميع الخلايا) مما يشير إلى آلية استشعار النصاب [57]. لوحظ أيضًا السلوك المتزامن في المستخلصات الخالية من الخلايا حيث يمكن أن يؤدي الاقتران المنتشر للإنزيمات المحللة للجلد إلى توليد موجات من نشاط حال السكر [30،31]. ومع ذلك ، لا تزال الأدلة التجريبية الواضحة على الموجات الأيضية في الخلايا الحية نادرة [58] على الرغم من أن النمذجة الرياضية تدعم جدوى مثل هذه الموجات [59].

في الآونة الأخيرة ، لوحظ نوع جديد من ديناميكيات الموجات ، يسمى الموجات الحلزونية الدوارة إلى الداخل ، في مستخلصات الخميرة الخالية من الخلايا [32]. لم يتم ملاحظة مثل هذا السلوك الموجي ، حتى الآن ، إلا في الأنظمة الكيميائية البحتة [35 ، 36]. هنا ، قمنا بالتحقيق في الآلية الجزيئية الكامنة وراء توليد مثل هذه الموجات المضادة للولبية في أنظمة نموذج حال للجلوكوز بسيطة تركز على التنشيط الخيفي لإنزيم فسفوفركتوكيناز (PFK). لقد أظهرنا أنه في نموذج Goldbeter يمكن أن تنشأ موجات لولبية دوارة داخلية بسبب التنشيط المتسلسل لـ PFK المتضمن في آلية Monod-Wyman-Changeux [13،37]. في حدود الربط الكبير المحدود حيث يتم وصف تنشيط PFK بواسطة دالة هيل ، كما في نموذج Sel'kov [12] ، يتم فقد القدرة على توليد موجات الانتشار الداخلية. يشير هذا إلى أن آلية MWC ، كما في الشكل & # x200B Figure1B ، 1B ، لا يمكن تضمينها بشكل أكبر. من ناحية أخرى ، كما أوضحنا سابقًا [32] ، يتم الاحتفاظ بالقدرة على توليد موجات مضادة من خلال نموذج Goldbeter حيث يتم أيضًا أخذ التعاون فيما يتعلق بربط الركيزة والتثبيط الخيفي بواسطة ATP في الاعتبار. ومن ثم ، يمكن اعتبار نموذج MWC بمثابة آلية "أساسية" لتوليد موجات الانتشار الداخلية لأنظمة الإنزيم الخيفي مع تنشيط المنتج.

بالنسبة لأنظمة التفاعل المختلطة جيدًا ، غالبًا ما يتم استخدام وظيفة Hill البسيطة لنمذجة السلوك التعاوني بطريقة "عامة". بالقرب من بداية التذبذبات ، لا يؤدي اختيار حركية Hill بدلاً من وظيفة تنشيط أكثر تعقيدًا ، كما هو الحال في نموذج MWC ، إلى تغيير نوعي في الديناميكيات في ظل ظروف جيدة التحريك. ومع ذلك ، كما أوضحنا ، يمكن أن يؤدي اختيار وظيفة التنشيط إلى تغيير نوع واستقرار الأنماط الديناميكية بشكل كبير في وجود اقتران منتشر. على سبيل المثال ، يشير ظهور عدم استقرار Benjamin-Feir في نموذج Sel'kov إلى حدوث فوضى مكانية-زمانية غائبة في الغالب في نموذج MWC (الشكل & # x200B (الشكل 2 ، 2 ، & # x200B ، 3 3 و & # x200B و 4). يشير هذا إلى أن أشكال الإنزيم الوسيط في نموذج MWC ، والتي تكون مشبعة جزئيًا فقط بجزيئات المنتج ، يمكنها تثبيت ديناميكيات النظام ضد اضطرابات طول الموجة الطويلة.

أظهر كل من Sel'kov و Goldbeter أنه لكي يصبح رد الفعل الوسيط PFK متذبذبًا ، يلزم تعاون إنزيم إيجابي قوي بما فيه الكفاية [12 ، 60]. ومع ذلك ، بقدر ما يتعلق الأمر بالتذبذبات ، فإن الشكل التفصيلي لمنحنى معامل هيل (مكافئ 11) ليس مهمًا. وبالتالي ، فإنها تحدث في الفرع التصاعدي لمنحنى التعاونية (أين dnح/ د & # x003b3س & # x0003e0) وكذلك على الفرع النازل (حيث dnح/د & # x003b3س & # x0003c0) طالما نح & # x0003e1 (الشكل 4A و B و C و & # x200B و 4 D). 4 د). ومن المثير للاهتمام ، أن حدوث موجات الانتشار الداخلية لا يبدو أنه يعتمد على حجم تعاون الإنزيم ، ولكن على حساسيته فيما يتعلق بالتغيرات في تركيز المنشط. تظهر عمليات المحاكاة التي أجريناها أن تكوين موجات الانتشار الداخلية يرتبط بحساسية إيجابية (dnح/د & # x003b3س & # x0003e0) مما يشير إلى أنه بالنسبة لجوانب تشكيل أنماط أنظمة الإنزيم الخيفي ، تلعب خصائص الإنزيم الأكثر دقة دورًا مما تلعبه في حدوث التذبذبات.

منذ أنظمة نموذج حال السكر في المعادلات. الشكلان 6 و 7 من نوع استنفاد الركيزة [14] وليس من المستغرب أن يتنبأ كلا النموذجين بحدوث أنماط تورينج الثابتة إذا أصبح الفصل المكاني بين ديناميكيات المثبط والمنشط كبيرًا بدرجة كافية [49]. ما يثير الدهشة هو حقيقة أن هذا الانتقال يحدث بالفعل لقيم صغيرة نسبيًا لـ & # x003b4 = 2 ،. 4 إذا كان الرقم ن من الوحدات الفرعية للإنزيم كبيرة بدرجة كافية (الشكل & # x200B (الشكل 2A 2A و & # x200B and2D). 2D). تم إهمال هذا الاعتماد القوي على تعاون الإنزيم إلى حد كبير في العمل السابق [61،62] والذي ركز في الغالب على الحالة ن = 2 (المقابلة للعضلة PFK). ومع ذلك ، في الخميرة ، فإن PFK عبارة عن أوكتامر (ن = 8) التي من المتوقع حدوث Turing pat-terns لها & # x003b4 & # x0003e4 في نموذج MWC و & # x003b4 & # x0003e2 في نموذج Sel'kov. يمكن إنشاء الفصل المكاني الضروري ، على سبيل المثال ، من خلال التفاعلات التفاضلية التفاضلية لمؤثرات PFK مع الإنزيمات المعطلة [32،63] ، بما في ذلك PFK نفسه. على الرغم من أنه يمكن إنشاء أنماط تورينج بشكل منهجي فقط في الأنظمة الكيميائية ، [25] إلا أن نتائجنا تشير إلى أن أنظمة إنزيمات قليلة القسيمات تعد مرشحة واعدة لتوليد مثل هذه الأنماط أيضًا في أنظمة نشر التفاعل الكيميائي الحيوي المصممة بشكل صحيح.


أصل الإنزيمات وتنقيتها واستخداماتها

الإنزيمات موجودة في كل مكان

تعتبر الإنزيمات من المكونات الأساسية للحيوانات والنباتات والكائنات الحية الدقيقة ، نظرًا لأنها تحفز وتنسق التفاعلات المعقدة لعملية التمثيل الغذائي الخلوي.

حتى سبعينيات القرن الماضي ، كانت معظم التطبيقات التجارية للإنزيمات تتضمن مصادر حيوانية ونباتية. في ذلك الوقت ، كانت الإنزيمات السائبة تستخدم بشكل عام فقط في صناعة تجهيز الأغذية ، ويفضل استخدام إنزيمات الحيوانات والنباتات ، حيث كان يُنظر إليها على أنها خالية من مشاكل السمية والتلوث المرتبطة بالإنزيمات من أصل جرثومي. ومع ذلك ، مع نمو الطلب وتطور تكنولوجيا التخمير ، تم التعرف على التكلفة التنافسية للإنزيمات الميكروبية وأصبحت مستخدمة على نطاق أوسع.

بالمقارنة مع الإنزيمات من المصادر النباتية والحيوانية ، تتمتع الإنزيمات الميكروبية بمزايا اقتصادية وتقنية وأخلاقية ، والتي سيتم تحديدها الآن.

المزايا الاقتصادية

إن الكمية الهائلة من الإنزيم التي يمكن إنتاجها في غضون فترة زمنية قصيرة ، وفي منشأة إنتاج صغيرة ، تفضل بشكل كبير استخدام الكائنات الحية الدقيقة. على سبيل المثال ، أثناء إنتاج رينين (إنزيم تخثر الحليب المستخدم في صناعة الجبن) ، فإن الطريقة التقليدية هي استخدام الإنزيم المستخرج من معدة العجل (بقرة صغيرة لا تزال تتغذى على حليب أمها). يبلغ متوسط ​​كمية المنفحة المستخرجة من معدة العجل 10 كجم ، ويستغرق إنتاج العجل عدة أشهر من الزراعة المكثفة. بالمقارنة ، تخمر 1000 لتر من المؤتلف العصوية الرقيقة يمكن أن تنتج 20 كجم من الإنزيم خلال 12 ساعة. وبالتالي ، من الواضح أن المنتج الميكروبي مفضل اقتصاديًا ، وخالٍ من المشكلات الأخلاقية التي تحيط باستخدام الحيوانات. في الواقع ، معظم الجبن المباع الآن في السوبر ماركت مصنوع من حليب متخثر بإنزيمات ميكروبية (لذا فهو مناسب للنباتيين).

ميزة أخرى لاستخدام الإنزيمات الميكروبية هي سهولة استخلاصها. يتم إفراز العديد من الإنزيمات الميكروبية المستخدمة في عمليات التكنولوجيا الحيوية خارج الخلية ، مما يسهل بشكل كبير استخلاصها وتنقيتها. غالبًا ما يكون الحصول على الإنزيمات الميكروبية داخل الخلايا أسهل من الحصول على الإنزيمات الحيوانية أو النباتية المكافئة ، لأنها تتطلب عمومًا خطوات استخراج وتنقية أقل.

عادة ما تحتاج المصادر الحيوانية والنباتية إلى النقل إلى منشأة الاستخراج ، بينما عند استخدام الكائنات الحية الدقيقة ، يمكن استخدام نفس المرفق للإنتاج والاستخراج. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما توجد الإنزيمات الحيوانية والنباتية المهمة تجاريًا داخل عضو أو نسيج واحد فقط ، وبالتالي فإن المادة المتبقية هي في الأساس منتج نفايات ، مطلوب التخلص منها.

أخيرًا ، تُظهر الإنزيمات المأخوذة من المصادر النباتية والحيوانية تباينًا كبيرًا في المحصول ، وقد تكون متاحة فقط في أوقات معينة من العام ، بينما لا ترتبط أي من هذه المشكلات بالأنزيمات الميكروبية.

المزايا التقنية

غالبًا ما تحتوي الإنزيمات الميكروبية على خصائص تجعلها أكثر ملاءمة للاستغلال التجاري. بالمقارنة مع الإنزيمات من المصادر الحيوانية والنباتية ، عادة ما يكون ثبات الإنزيمات الميكروبية مرتفعًا. على سبيل المثال ، غالبًا ما يكون ثبات درجة الحرارة المرتفعة للأنزيمات من الكائنات الدقيقة المحبة للحرارة مفيدًا عندما يجب أن تعمل العملية في درجات حرارة عالية (على سبيل المثال أثناء معالجة النشا).

الكائنات الحية الدقيقة أيضًا قابلة للتعديل الجيني لإنتاج إنزيمات جديدة أو معدلة ، باستخدام طرق بسيطة نسبيًا مثل إدخال البلازميد. يعتبر التلاعب الجيني للحيوانات والنباتات أكثر صعوبة من الناحية الفنية ، وهو أكثر تكلفة ولا يزال موضوع اهتمام أخلاقي كبير ، خاصة في المملكة المتحدة.

قد تكون الإنزيمات داخل الخلايا أو خارجها

على الرغم من الاحتفاظ بالعديد من الإنزيمات داخل الخلية ، وقد تكون موجودة في مقصورات خلوية محددة ، يتم إطلاق البعض الآخر في البيئة المحيطة. غالبية الإنزيمات المستخدمة في الصناعة هي بروتينات خارج الخلية من أي من المصادر الفطرية (على سبيل المثال. فطر الرشاشيات الأنواع) أو المصادر البكتيرية (على سبيل المثال عصية محيط). ومن الأمثلة على ذلك α-amylase و cellulase و dextranase و proteases و amyloglucosidase. العديد من الإنزيمات الأخرى للاستخدام غير الصناعي موجودة داخل الخلايا وتنتجها الخلية بكميات أقل بكثير. ومن الأمثلة على ذلك أسباراجيناز ، كاتلاز ، كولسترول أوكسيديز ، جلوكوز أوكسيديز وجلوكوز 6 فوسفات ديهيدروجينيز.

تنقية الانزيم

داخل الخلية ، توجد الإنزيمات عمومًا جنبًا إلى جنب مع البروتينات الأخرى والأحماض النووية والسكريات المتعددة والدهون. يمكن تحديد نشاط الإنزيم بالنسبة إلى البروتين الكلي الموجود (أي النشاط المحدد) واستخدامه كمقياس لنقاء الإنزيم. يمكن استخدام مجموعة متنوعة من الطرق لإزالة المواد الملوثة من أجل تنقية الإنزيم وزيادة نشاطه المحدد. عادة ما يتم تحضير الإنزيمات المستخدمة ككواشف تشخيصية وفي العلاجات السريرية بدرجة عالية من النقاء ، لأنه يتم التركيز بشكل كبير على خصوصية التفاعل الذي يتم تحفيزه. من الواضح أنه كلما ارتفع مستوى التنقية ، زادت تكلفة إنتاج الإنزيم. في حالة العديد من الإنزيمات الصناعية السائبة تكون درجة التنقية أقل أهمية ، وغالبًا ما يتم بيع هذه الإنزيمات كمستحضرات خام جدًا من مرق الاستزراع الذي يحتوي على وسط النمو والكائنات الحية (الكاملة أو المجزأة) والإنزيمات ذات الأهمية. ومع ذلك ، حتى عند استخدام أرخص الإنزيمات السائبة (مثل البروتياز للاستخدام في مساحيق الغسيل) ، يمكن أن تساهم تكلفة الإنزيم بحوالي 5-10٪ من قيمة المنتج النهائي.

المعالجة الأولية

في نهاية عملية التخمير التي يتم فيها استزراع كائن حي دقيق غني بالإنزيم المطلوب ، يمكن تبريد المرق بسرعة إلى 5 درجات مئوية لمنع المزيد من النمو الميكروبي وتثبيت منتج الإنزيم. يمكن أيضًا تعديل الأس الهيدروجيني لتحسين استقرار الإنزيم. إذا كان الكائن الحي المنتج للإنزيم عبارة عن فطر ، فيمكن إزالته عن طريق الطرد المركزي بسرعة منخفضة. إذا كان مصدر الإنزيم بكتيريًا ، فغالبًا ما يتم خلط البكتيريا بكبريتات الألومنيوم أو كلوريد الكالسيوم ، مما يؤدي إلى إبطال الشحنة الموجودة على الأغشية البكتيرية ، مما يؤدي إلى تكتلها وبالتالي الخروج من المعلق.

علاج او معاملة

تم العثور على الإنزيمات خارج الخلية في المكون السائل لعملية المعالجة المسبقة. ومع ذلك ، تتطلب الإنزيمات داخل الخلايا علاجًا أكثر شمولاً. يمكن تركيز الكتلة الحيوية بالطرد المركزي وغسلها لإزالة المكونات المتوسطة. يجب بعد ذلك تمزق المكون الخلوي لتحرير محتوى الإنزيم. يمكن القيام بذلك باستخدام واحدة أو أكثر من العمليات التالية:

طحن الكرة (باستخدام الخرز الزجاجي)

الإزالة الأنزيمية لجدار الخلية

قص السائل من خلال فتحة صغيرة عند ضغط مرتفع (على سبيل المثال داخل مكبس فرنسي)

قد يتضمن فصل الإنزيمات عن المحلول الناتج بعد ذلك مجموعة متنوعة من عمليات الفصل ، والتي غالبًا ما تستخدم بطريقة متسلسلة.

تتضمن الخطوة الأولى في إجراء تنقية الإنزيم عادةً فصل البروتينات عن المكونات غير البروتينية عن طريق عملية التمليح. تبقى البروتينات في محلول مائي بسبب التفاعلات بين الأحماض الأمينية المحبة للماء (المحبة للماء) وجزيئات الماء المحيطة (المذيب). إذا زادت القوة الأيونية للمذيب بإضافة عامل مثل كبريتات الأمونيوم ، فإن بعض جزيئات الماء ستتفاعل مع أيونات الملح ، مما يقلل من عدد جزيئات الماء المتاحة للتفاعل مع البروتين. في ظل هذه الظروف ، عندما لا تتفاعل جزيئات البروتين مع المذيب ، فإنها تتفاعل مع بعضها البعض ، وتتخثر وتخرج من المحلول في شكل راسب. يمكن بعد ذلك ترشيح هذا الراسب (الذي يحتوي على إنزيم الفائدة والبروتينات الأخرى) أو طرده ، وفصله عن المادة الطافية.

نظرًا لاختلاف البروتينات في مدى تفاعلها مع الماء ، فمن الممكن إجراء هذه العملية باستخدام سلسلة من إضافات كبريتات الأمونيوم ، وزيادة القوة الأيونية بطريقة تدريجية وإزالة الراسب في كل مرحلة. وبالتالي ، فإن هذا الترسيب الجزئي ليس فقط قادرًا على فصل البروتين عن المكونات غير البروتينية ، ولكن يمكنه أيضًا تمكين فصل الإنزيم المعني عن بعض مكونات البروتين الأخرى.

بعد ذلك ، يمكن استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات لمزيد من التنقية ، والخطوات التي تنطوي على الفصل اللوني هي ممارسة قياسية.

كروماتوغرافيا التبادل الأيوني غالبًا ما يكون فعالًا خلال المراحل الأولى من عملية التطهير. يضاف محلول البروتين إلى عمود يحتوي على بوليمر غير قابل للذوبان (مثل السليلوز) تم تعديله بحيث تحدد خصائصه الأيونية نوع أيون متحرك (أي الكاتيون أو الأنيون) الذي يجذبه. سوف ترتبط البروتينات التي تكون شحنتها الصافية معاكسة لشحن مادة التبادل الأيوني بها ، بينما تمر جميع البروتينات الأخرى عبر العمود. سيؤدي التغيير اللاحق في الرقم الهيدروجيني أو إدخال محلول ملحي إلى تغيير القوى الكهروستاتيكية ، مما يسمح بإطلاق البروتين المحتفظ به في المحلول مرة أخرى.

هجوم العمالقه يمكن استخدامها في المراحل اللاحقة من بروتوكول تنقية لفصل الجزيئات على أساس الحجم الجزيئي. يتم استخدام الأعمدة التي تحتوي على طبقة من جزيئات الهلام المتشابكة مثل Sephadex. تستبعد جزيئات الهلام جزيئات البروتين الكبيرة مع السماح بدخول الجزيئات الأصغر. يحدث الفصل لأن جزيئات البروتين الأكبر تتبع مسارًا أسفل العمود بين جسيمات Sephadex (تحتل جزءًا أصغر من حجم العمود). وبالتالي فإن الجزيئات الأكبر حجمًا لها وقت شطف أقصر ويتم استعادتها أولاً من عمود الترشيح الهلامي.

اللوني تقارب غالبًا ما تمكّن الإجراءات من تبسيط بروتوكولات التنقية إلى حد كبير. نموذجيًا ، فيما يتعلق بتنقية الإنزيم ، سيتم تعبئة عمود بمرحلة ثابتة من الجسيمات يرتبط بها جزيء يجند مثل الركيزة التماثلية أو المثبط أو العامل المساعد للإنزيم محل الاهتمام. عندما يتم تمرير خليط العينة عبر العمود ، يتفاعل الإنزيم مع الرابط الثابت ، ويرتبط به ، ويتم الاحتفاظ به داخل العمود حيث تمر جميع المكونات الأخرى للخليط عبر العمود دون مقابل. بعد ذلك ، يتم إدخال محلول من ligand إلى العمود لتحريره (مزلق) وبالتالي استعادة الإنزيم المرتبط من العمود في صورة عالية النقاء.

في الوقت الحاضر ، توجد العديد من إجراءات كروماتوغرافيا التقارب البديلة القادرة على فصل الإنزيمات عن طريق الارتباط بمناطق الجزيء بعيدًا عن موقعها النشط. تمكّننا التطورات في البيولوجيا الجزيئية من تنقية البروتينات المؤتلفة ، بما في ذلك الإنزيمات ، من خلال علامات التقارب. في نهج نموذجي ، سيتم تعديل الجين الخاص بالإنزيم المعني إلى رمز لتسلسل حمض أميني قصير إضافي عند الطرف N أو C. على سبيل المثال ، تتوفر مجموعة من إجراءات الوسم متعدد الهيستيدين لإنتاج منتجات بروتينية مع ستة أو أكثر من بقايا الهيستيدين المتتالية في نهايتها الطرفية N أو C. عندما يتم بعد ذلك تمرير خليط يحتوي على البروتين ذي الأهمية من خلال عمود يحتوي على راتنج agarose حمض النيكل-نتريلوتريا (Ni-NTA) ، فإن بقايا الهيستيدين الموجودة على البروتين المؤتلف ترتبط بأيونات النيكل المرتبطة براتنج الدعم ، مما يؤدي إلى الاحتفاظ بالبروتين. ، بينما تمر المكونات البروتينية وغير البروتينية الأخرى عبر العمود. يمكن بعد ذلك تحقيق شطف البروتين المرتبط عن طريق إضافة إيميدازول إلى العمود ، أو عن طريق تقليل الأس الهيدروجيني إلى 5-6 لإزاحة البروتين الموسوم من أيونات النيكل.

لذلك ، فإن مثل هذه التقنيات قادرة على عزل إنزيم بسرعة وفعالية عالية من خليط معقد في خطوة واحدة فقط ، وعادةً ما توفر نقاوة بروتين تصل إلى 95٪. في حالة الحاجة إلى المزيد من منتجات الإنزيم عالي النقاء ، تتوفر أيضًا خيارات تكميلية أخرى ، بما في ذلك أشكال مختلفة من الرحلان الكهربائي التحضيري ، على سبيل المثال الرحلان الكهربائي للقرص الهلامي والتركيز الكهروضوئي.

الانتهاء من الانزيمات

تعتبر الإنزيمات من المستضدات ، ومنذ حدوث المشاكل في أواخر الستينيات عندما أظهر عمال التصنيع استجابات حساسية شديدة بعد استنشاق غبار الإنزيم ، تم الآن تنفيذ إجراءات لتقليل تكوين الغبار. يتضمن ذلك توفير الإنزيمات كسوائل حيثما أمكن ذلك ، أو زيادة حجم جزيئات المساحيق الجافة من 10 ميكرومتر إلى 200-500 ميكرومتر إما عن طريق التحبيب (خلط الإنزيم مع البولي إيثيلين جلايكول وإعداد الكرات الصغيرة عن طريق الانحلال) أو التبخير (خلط الإنزيم بـ a المادة اللاصقة والماء ، بثق الشعيرات الطويلة ، وتحويلها إلى كريات في الماروميرايزر ، وتجفيفها وتغطيتها بطبقة شمعية).


الملخص

لقد أبلغنا عن تقييم تجريبي لـ "سطح الإدخال / الإخراج" لبوابة AND البيوكيميائية. تم نمذجة البيانات التي تم الحصول عليها ضمن نهج معادلة المعدل ، بهدف تعيين وظيفة البوابة وصبها بلغة المتغيرات المنطقية المناسبة لتحليل المنطق المنطقي لقابلية التوسع. من أجل تقليل الضوضاء "التناظرية" ، فإننا نأخذ في الاعتبار نهجًا نظريًا لتحديد مجموعة مثالية لمعلمات العملية لتقليل تضخيم الضوضاء "التناظري" لسلسلة البوابة. لقد أثبتنا أنه في ظل الظروف المثلى ، يمكن ربط البوابات البيوكيميائية المدروسة حاليًا بما يصل إلى 10 خطوات معالجة. علاوة على ذلك ، يجب تطوير نماذج جديدة لتجنب تراكم الضوضاء. نحن نقدم مناقشة عامة للأفكار والتحديات المستقبلية المحتملة لكل من البحث التجريبي والنظري لتطوير الحوسبة البيوكيميائية القابلة للتطوير.


أساليب

في BridgIT ، تُستخدم درجة Tanimoto لتحديد تشابه بصمات أصابع التفاعل. تتيح لنا BridgIT القيام بما يلي: (أنا) قارن تفاعلًا جديدًا أو يتيمًا مع مجموعة من التفاعلات التي لها تسلسلات مرتبطة ، يشار إليها لاحقًا باسم ردود الفعل المرجعية (ثانيا) رتب التفاعلات المماثلة التي تم تحديدها بناءً على درجات Tanimoto المحسوبة و (ثالثا) اقتراح تسلسل ردود الفعل المرجعية الأعلى مرتبة كمرشحين محتملين لتشفير إنزيم رد الفعل المعطى de novo أو التفاعل اليتيم.

تحديد الموقع التفاعلي.

يحدث التفاعل الإنزيمي عندما تتلاءم ركائزه (ركائزه) في موقع ارتباط الإنزيم. نظرًا لأن بنية وهندسة مواقع ربط الإنزيمات معقدة ولا تتميز في معظم الأحيان بشكل كامل ، فقد اقترحنا التركيز على تشابه المواقع التفاعلية لركائزها. بعد ذلك ، استخدمنا قواعد التفاعل المعممة برعاية الخبراء لـ BNICE.ch لتحديد المواقع التفاعلية للركائز. تحتوي قواعد التفاعل هذه على معرفات EC من المستوى الثالث (على سبيل المثال ، EC 1.1.1) وتشمل المعرفة الكيميائية الحيوية التالية للتفاعلات الأنزيمية: (أنا) معلومات حول ذرات الموقع التفاعلي للركيزة (ثانيا) معلومات حول التوصيل (atom-bond-atom) و (ثالثا) معلومات دقيقة عن تكسر الرابطة وتشكيلها أثناء التفاعل. اعتبارًا من يوليو 2017 ، يحتوي BNICE.ch على 381 قاعدة تفاعل معممة ثنائية الاتجاه يمكنها إعادة بناء 6528 تفاعلًا KEGG (46).

بالنظر إلى تفاعل جديد أو يتسم بالتفاعل ، يتم تحديد المواقع التفاعلية للركيزة (الركائز) في ثلاث خطوات. في الخطوة الأولى ، يتم تحديد قواعد التفاعل المعممة BNICE.ch التي يمكن تطبيقها على مجموعات الذرات من الركائز التي تم تحليلها ، ثم يتم تخزين المعلومات حول القواعد المحددة ومجموعات الذرات المقابلة. بعد ذلك ، يشار إلى هذه المجموعات من الذرات على أنها مواقع تفاعلية للركيزة المرشحة. في الخطوة الثانية ، من بين القواعد المحددة ، يتم الاحتفاظ فقط بالقواعد التي يمكنها التعرف على الاتصال بين ذرات المواقع التفاعلية للركيزة المرشحة. في الخطوة الثالثة ، ما إذا كان يمكن تفسير التحول الأحيائي للركيزة (الركائز) إلى منتج (منتجات) من خلال القواعد التي يتم الاحتفاظ بها بعد اختبار الخطوة الثانية. يتم التحقق من صحة المواقع التفاعلية المرشحة المطابقة للقواعد التي اجتازت الاختبار المكون من ثلاث خطوات واستخدامها لبناء بصمات التفاعل.

نوضح هذا الإجراء على تفاعل اليتيم R02763 ، والذي يحفز تحويل 3-carboxy-2-hydroxymuconate semialdehyde (الركيزة A) إلى 2-hydroxymuconate semialdehyde وثاني أكسيد الكربون (الشكل 1). في الخطوة الأولى ، تم تحديد 210 قاعدة من 361 قاعدة يمكن تطبيقها على مجموعات ذرات الركيزة A (الشكل 1 ، الخطوة 1.a). من بين 210 قاعدة ، هناك 168 قاعدة مطابقة للتوصيل (الشكل 1 ، الخطوة 1. ب). أخيرًا ، تم تطبيق قواعد التفاعل البالغ عددها 168 على الركيزة A لمقارنات تكسير السندات والتشكيل ، ويمكن لقاعدة واحدة تفسير تحول الركيزة A إلى المنتجات (الشكل 1 ، الخطوة 1. ج).

تفاعل بناء بصمات الأصابع.

تم استخدام البصمات الجزيئية ، وهي تمثيلات خطية لتراكيب الجزيئات ، في العديد من الطرق وللتطبيقات المختلفة ، خاصة للمقارنة الهيكلية للمركبات (51 ، 52). واحدة من أكثر البصمات الجزيئية شيوعًا هي بصمة ضوء النهار (51) ، والتي تحلل الجزيء إلى ثماني طبقات بدءًا من الطبقة صفر التي تمثل الذرات فقط. توسع الطبقة 1 رابطة واحدة بعيدًا عن جميع الذرات وتشكل روابط ذرة رابطة ذرة. يستمر هذا الإجراء حتى الطبقة 7 ، التي تتضمن سبع روابط متصلة من كل ذرة. هناك نوعان من بصمات تفاعل ضوء النهار: (أنا) بصمات التفاعل الهيكلي ، وهي مجموعات بسيطة من بصمات المواد المتفاعلة والمنتج ، و (ثانيا) بصمات فرق التفاعل ، وهي التجميع الجبري لبصمات المتفاعلات والمنتج مضروبة في معاملاتهم المتكافئة في التفاعل. في هذه الدراسة ، نقترح نسخة معدلة من بصمة فرق التفاعل. يتم توضيح الإجراء الخاص بصياغة بصمات تفاعل BridgIT من خلال تفاعل مثال (الشكل 1 ، الخطوة 2).

بدءًا من ذرات الموقع التفاعلي للركيزة المحدد ، تم تكوين ثماني طبقات وصف للجزيء ، حيث تتكون طبقات مختلفة من شظايا ذات أطوال مختلفة. كانت الشظايا مكونة من ذرات متصلة من خلال سلاسل غير متفرعة من الروابط. اعتمادًا على عدد الروابط المضمنة في الأجزاء ، تم تشكيل طبقات وصف مختلفة للجزيء على النحو التالي:

الطبقة 0: تصف نوع كل ذرة من الموقع التفاعلي مع حسابها. على سبيل المثال ، تم وصف الركيزة الخاصة بمثال التفاعل عند الطبقة 0 على أنها ثلاث ذرات أكسجين وخمس ذرات كربون (الشكل 1 ، الخطوة 2. أ).

الطبقة 1: تصف نوع وعدد كل رابطة بين أزواج من الذرات في الموقع التفاعلي. في المثال ، تم وصف الركيزة في الطبقة 1 بستة أجزاء من الطول 1: واحد C – O ، وثلاثة C – C ، واثنان C = O ، ورابطة C = C (الشكل 1 ، الخطوة 2. أ). يتم عرض الأجزاء من خلال التمثيل الجزيئي لنظام إدخال خط الإدخال الجزيئي المبسط (SMILES) (53). لتحويل الابتسامات إلى ابتسامات أساسية ، استخدمنا مكتبة Open Babel C ++ (52).

الطبقة الثانية: تصف نوع وعدد الشظايا ذات ثلاث ذرات متصلة. بينما وصفت الطبقتان 0 و 1 ذرات المواقع التفاعلية ، بدءًا من الطبقة 2 ، تم أيضًا وصف الذرات التي كانت خارج الموقع التفاعلي. في المثال الموضح ، كانت هناك ستة أجزاء مختلفة من هذا النوع (الشكل 1 ، الخطوة 2. أ).

The same procedure was used to describe the molecules up to layer 7. Interestingly, and consistent with the previously reported result (43), we found that the seven-layer description was good enough to capture the structure of most of the metabolites in biochemical reactions, therefore providing a precise reaction fingerprint. Note that not all description layers are needed to describe less complex molecules. For example, product C (carbon dioxide) was fully described using only layer 0 and layer 1 (Fig. 1, step 2.a). For very large molecules, the description layers that contain fragments with more than eight connected atoms can be used.

For each layer, the substrate set was formed by merging all the fragments and their type and count in the substrate molecules of the reaction, and the product set was formed by merging all the fragments (type and count) in the product molecules of the reaction. In both sets, the count of each fragment was multiplied by the stoichiometric coefficients of the corresponding compound in the reaction. Lastly, the reaction fingerprints were created by summing the fragments of the substrate and product sets for each layer (Fig. 1, step 2.b).

Introducing the specificity of reactive sites into the reaction fingerprint allows BridgIT to capitalize on the information about enzyme binding pockets (16). To keep this valuable information throughout the generation of reaction fingerprints, BridgIT does not consider the atoms of the reactive site(s) when performing the algebraic summation of the substrate and product set fragments. Consequently, the BridgIT algorithm enables retaining, tracking, and emphasizing the information of the reactive site(s) in all the layers of the reaction fingerprint, which distinguishes it from the existing methods.

Reaction Similarity Evaluation.

The similarity of two reactions was quantified using the similarity score between their fingerprints, subsequently referred to as reaction fingerprints A and B. In this study, the Tanimoto score, which is an extended version of the Jaccard coefficient and cosine similarity, was used (54). Values of the Tanimoto scores near 0 indicate reactions with no or negligible similarity, whereas values near 1 indicate reactions with high similarity.

The Tanimoto score for each descriptive layer, Tإلك, together with the global Tanimoto score, Tجي, was calculated. The Tanimoto score for the ك-th descriptive layer was defined as T L k = c k a k + b k − c k ,

أين أك was the count of the fragments in the ك-th layer of reaction fingerprint A بك was the count of the fragments in the ك-th layer of reaction fingerprint B and جك was the number of common ك-th layer fragments of reaction fingerprints A and B. Two fragments were equal if their canonical SMILES and their stoichiometric coefficients were identical. The global Tanimoto similarity score, Tجي, was defined as follows: T G = ∑ k = 0 7 c k ∑ k = 0 7 a k + ∑ k = 0 7 b k − ∑ k = 0 7 c k .

For each reaction fingerprint, its Tanimoto similarity score was calculated against the reaction fingerprints from the BridgIT reference database, which contained reaction fingerprints of all known, well-characterized enzymatic reactions (Fig. 1, step 3).

Sorting, Ranking, and Gene Assignment.

For a given input reaction, the reference reactions were ranked using the computed Tجي درجات. The algorithm distinguished between the identified reference reactions with the same Tجي score based on the Tإل score of layers 0 and 1 and allowed the user to assign ranking weights to specified layers. The protein sequences associated with the highest ranked (i.e., the most similar) reference reactions were then assigned to the input reaction (Fig. 1, step 4).


Phase separation with a focus on metabolic complexes and liquid–liquid demixing

Cells, from a thermodynamic point of view, are shockingly ignoring physicochemical theories of condensed matter formation, where high concentration of molecules must generate aggregates. Such a conundrum is exemplified if we consider mitochondria, where enzyme concentrations are the highest as compared with any other organelle, exhibiting values very similar to those of protein crystals. The molecular driving forces governing function in such crowded environments are still elusive, and the mechanisms that the cell employs to avoid spurious biomolecular interactions on the molecular level remain to be elucidated.

Recent work has shown that the cell may contain a suspension of different liquid protein phases [76]. Biomolecular condensates are a class of cellular organelles lacking membrane boundaries that form through phase separation of participating biomolecules. Phase separation has been a recent focus of various reviews [77–82] and even a complete Biochemistry issue has been dedicated to review cellular biology and theoretical physical chemistry of phase-separated processes [83]. Therefore, in the present review the concept is presented with a focus on metabolic complexes and their regulation via the formation of biological condensates by liquid–liquid phase separation.

First, to understand what liquid–liquid phase separation of a biomolecule is, consider the standard phase diagram for liquids (Figure 5A), which is regularly shown in crystallography books. The exact phase diagram will differ for different mixtures of biomolecules, and some mixtures may never achieve some of those states. However, liquid–liquid phase separation has been observed for various processes في الجسم الحي [76,84–87], and biological condensates have been frequently observed under stress conditions and/or during development, where cellular processes are under strict regulation [77].


Enzymes can catalyze reactions through a variety of mechanisms. بعض هذه تشمل:

  • Bond strain: enzymes can destabilize bonds within the substrate.
  • Proximity and orientation: conformational changes in the enzyme upon substrate binding can bring reactive groups closer together or orient them so they can react.
  • Proton donors and acceptors: the presence of acidic or basic groups can affect bond polarization and reaction speed.
  • Electrostatic catalysis: electrostatic attractions between the enzyme and the substrate can stabilize the activated complex.
  • Covalent catalysis: covalent bonding to side chains or cofactors can lower the energy of the transition state.

As such, enzymes show that evolutionary biology has produced highly effective catalysts.

Boundless vets and curates high-quality, openly licensed content from around the Internet. This particular resource used the following sources:


مشاكل ( Answer )

l.Entropy Changes during Egg Development Consider an ecosystem consisting of an egg in an incubator. The white and yolk of the egg contain proteins, carbohydrates, and lipids. If fertilized, the egg is transformed from a single cell to a complex organism. Discuss this irreversible process in terms of the entropy changes in the system, surroundings, and universe. Be sure that you first clearly defme the system and surroundings.

2. Calculation of ΔG°' from Equilibrium Constants Calculate the standard free-energy changes of the following metabolically important enzyme-catalyzed reactions at 25 ? and pH 7.0 from the equilibrium constants given.aspartate

3. Calculation of Equilibrium Constants from ΔG°' Calculate the equilibrium constants Keq for each of the following reactions at pH 7.0 and 25 °C, using the ΔG°' values of Table 13-4:

5. Experimental Determination of ΔG°' for ATP Hydrolysis A direct measurement of the standard free-energy change associated with the hydrolysis of ATP is technically demanding because the minute amount of ATP remaining at equilibrium is dif ficult to measure accurately. The value of ΔG°' can be calculated indirectly, however, from the equilibrium constants of two other enzymatic reactions having less favorable equilibrium constants:

Using this information, calculate the standard free energy of hydrolysis of ATP. Assume a temperature of 25 °C.

6. Difference between ΔG°' and ΔG Consider the following interconversion, which occurs in glycolysis (Chapter 14):

(a) What is ΔG°' for the reaction (assuming that the temperature is 25 °C)?
(b) If the concentration of fructose-6-phosphate is adjusted to 1.5 م and that of glucose-6-phosphate is adjusted to 0.5 M, what is ΔG?
(c) Why are ΔG°'and ΔG different?

7. Dependence of ΔG on pH The free energy released by the hydrolysis of ATP under standard conditions at pH 7.0 is -30.5 kJ/mol. If ATP is hydrolyzed under standard conditions but at pH 5.0, is more or less free energy released? لماذا ا؟

8. The ΔG°' for Coupled Reactions Glucose-1-phosphate is converted into fructose-6-phosphate in two successive reactions:

Glucose-1-phosphate glucose-6-phosphate
Glucose-6-phosphate fructose-6-phosphate

Using the ΔG°' values in Table 13-4, calculate the equilibrium constant, K'مكافئ, for the sum of the two reactions at 25 °C:Glucose-1-phosphate fructose-6-phosphate

9. Strategy for Ouercoming an Unfauorable Reaction: ATP-Dependent Chemical Coupling The phosphorylation of glucose to glucose-6-phosphate is the initial step in the catabolism of glucose. The direct phosphorylation of glucose by Pأنا is described by the equation

(a) Calculate the equilibrium constant for the above reaction. In the rat hepatocyte the physiological concentrations of glucose and Pأنا are maintained at approximately 4.8 mم. What is the equilibrium concentration of glucose-6-phosphate obtained by the direct phosphorylation of glucose by Pأنا؟ Does this route represent a reasonable metabolic route for the catabolism of glucose? يشرح.
(b) In principle, at least, one way to increase the concentration of glucose-6-phosphate is to drive the equilibrium reaction to the right by increasing the intracellular concentrations of glucose and Pi. Assuming a fixed concentration of P at 4.8 mM, how high would the intracellular concentration of glucose have to be to have an equilibrium concentration of glucose-6-phosphate of 250 μم (normal physiological concentration)? Would this route be a physiologically reasonable approach, given that the maximum solubility of glucose is less than 1 م?
(c) The phosphorylation of glucose in the cell is coupled to the hydrolysis of ATP that is, part of the free energy of ATP hydrolysis is utilized to effect the endergonic phosphorylation of glucose:

Glucose + Pأنا glucose-6-phosphate + H2O ΔG°' = 13.8 kJ/mol
ATP + H.2O ADP + PأناΔG°' = -30.5 kJ/mol
Sum: Glucose + ATP glucose-6-phosphate + ADP

Calculate K'مكافئ for the overall reaction. When the ATP-dependent phosphorylation of glucose is carried out, what concentration of glucose is needed to achieve a 250 μم intracellular concentration of glucose-6-phosphate when the concentrations of ATP and ADP are 3.38 and 1.32 mم, respectively?Does this coupling process provide a feasible route, at least in principle, for the phosphorylation of glucose as it occurs in the cell? يشرح.
(d) Although coupling ATP hydrolysis to glucose phosphorylation makes thermodynamic sense, how this coupling is to take place has not been specified. Given that coupling requires a common intermediate, one conceivable route is to use ATP hydrolysis to raise the intracellular concentration of Pأنا and thus drive the unfavorable phosphorylation of glucose by Pأنا. Is this a reasonable route? يشرح.
(e) The ATP-coupled phosphorylation of glucose is catalyzed in the hepatocyte by the enzyme glucokinase. This enzyme binds ATP and glucose to form a glucose-ATP-enzyme complex, and the phosphate is transferred directly from ATP to glucose. Explain the advantages of this route.

10. Calculations of ΔG°' for ATP-Coupled Reactions From data in Table 13-6 calculate the ΔG°' value for the reactions

(a) Phosphocreatine + ADP creatine + ATP
(b) ATP + fructose ADP + fructose-6-phosphate

11. Coupling ATP Cleavage to an Unfauorable Reaction This problem explores the consequences of coupling ATP hydrolysis under physiological conditions to a thermodynamically unfavorable biochemical reaction. Because we want to explore these consequences in stages, we shall consider the hypothetical transformation, X Y, a reaction for which ΔG°' = 20 kJ/mol.

(a) What is the ratio [Yl/[Xl at equilibrium?
(b) Suppose X and Y participate in a sequence of reactions during which ATP is hydrolyzed to ADP and Pأنا. The overall reaction is :
X+ATP+H2O Y+ADP+Pi
Calculate [Y]/[X] for this reaction at equilibrium. Assume for the purposes of this calculation that the concentrations of ATP, ADP, and Pi are all 1 hs when the reaction is at equilibrium.
(c) We know that [ATP], [ADP], and [Pi] are not 1 م under physiological conditions. Calculate the ratio [Y]/[X] for the ATP-coupled reaction when the values of [ATP], [ADP], and [Pi] are those found in rat myocytes (Table 13-5).

12. Calculations of ΔG at Physiologicccl Concentrations Calculate the physiological ΔG (not ΔG°') for the reactionPhosphocreatine + ADP creatine + ATP at 25 °C as it occurs in the cytosol of neurons, in which phosphocreatine is present at 4.7 mم, creatine at 1.0 mم, ADP at 0.20 mم, and ATP at 2.6 mم.

13. Free Energy Required for ATP Synthesis under Physiological Conditions In the cytosol of rat hepatocytes, the mass-action ratio is

Calculate the free energy required to synthesize ATP in the rat hepatocyte.

14. Daily ATP Utilization by Human Adults

(a) A total of 30.5 kJ/mol of free energy is needed to synthesize ATP from ADP and Pi when the reactants and products are at 1 م concentration (standard state). Because the actual physiological concentrations of ATP, ADP, and Pi are not 1 م, the free energy required to synthesize ATP under physiological conditions is different from OG. Calculate the free energy required to synthesize ATP in the human hepatocyte when the physiological concentrations of ATP, ADP, and Pi are 3.5, 1.50, and 5.0 mم، على التوالى.
(b) A normal 68 kg (150 lb) adult requires a caloric intake of 2,000 kcal (8,360 kJ) of food per day (24 h). This food is metabolized and the free energy used to synthesize ATP, which is then utilized to do the body's daily chemical and mechanical work. Assuming that the efficiency of converting food energy into ATP is 50%, calculate the weight of ATP utilized by a human adult in a 24 h period. What percentage of the body weight does this represent?
(c) Although adults synthesize large amounts of ATP daily, their body weight, structure, and composition do not change significantly during this period. Explain this apparent contradiction.

15. ATP Reserve in Muscle Tissue The ATP concentration in muscle tissue (approximately 70% water) is about 8.0 mم. During strenuous activity each gram of muscle tissue uses ATP at the rate of 300 N,mol/min for contraction.

(a) How long would the reserve of ATP last during a 100 meter dash?
(b) The phosphocreatine level in muscle is about 40.0 mم. How does this help extend the reserve of muscle ATP?
(c) Given the size of the reserve ATP pool, how can a person run a marathon?

16. Rates of Turnover of γ- and β-Phosphates of ATP If a small amount of ATP labeled with radioactive phosphorus in the terminal position, [γ- 32 P]ATP, is added to a yeast extract, about half of the 32 P activity is found in Pi within a few minutes, but the concentration of ATP remains unchanged. يشرح. If the same experiment is carried out using ATP labeled with 3zP in the central position, [β- 32 p]ATP, the 32 P does not appear in Pi within the same number of minutes. لماذا ا؟

17. Cleavage of ATP to AMP and PPأنا during Metabolism The synthesis of the activated form of acetate (acetyl-CoA) is carried out in an ATP-dependent process:

Acetate + CoA + ATP acetyl-CoA + AMP + PPi

(a) The ΔG°' for the hydrolysis of acetyl-CoA to acetate and CoA is -32.2 kJ/mol and that for hydrolysis of ATP to AMP and PPأنا is -30.5 kJ/mol. Calculate ΔG°' for the ATP-dependent synthesis of acetyl-CoA.
(b) Almost all cells contain the enzyme inorganic pyrophosphatase, which catalyzes the hydrolysis of PPأنا to Pأنا. What effect does the presence of this enzyme have on the synthesis of acetyl-CoA? يشرح.

18. Are All Metabolic Reactions at Equilibrium?

(a) Phosphoenolpyruvate is one of the two phosphate donors in the synthesis of ATP during glycolysis. In human erythrocytes, the steady-state concentration of ATP is 2.24 mM, that of ADP is 0.25 mM, and that of pyruvate is 0.051 mM. Calculate the concentration of phosphoenolpyruvate at 25 °C, assuming that the pyruvate kinase reaction (Fig. 13-3) is at equilibrium in the cell.
(b) The physiological concentration of phosphoenolpyruvate in human erythrocytes is 0.023 mM. Compare this with the value obtained in (a). What is the significance of this difference? يشرح.

19. Standard Reduction Potentials The standard reduction potential, E'0, of any redox pair is defined for the half cell reaction:

Oxidizing agent + n electrons reducing agent

The E'0 values for the NAD + /NADH and pyruvate/lactate conjugate redox pairs are -0.32 and -0.19 V, respectively.

(a) Which conjugate pair has the greater tendency to lose electrons? يشرح.
(b) Which is the stronger oxidizing agent? يشرح.
(c) If we begin with 1 M concentrations of each reactant and product at pH 7, in which direction will the following reaction proceed?

Pyruvate + NADH + H lactate + NAD +
(d) What is the standard free-energy change (ΔG°') at 25 °C for this reaction?
(e) What is the equilibrium constant (Key) for this reaction?

20. Energy Span of the Respiratory Chain Electron transfer in the mitochondrial respiratory chain may be represented by the net reaction equation

(a) Calculate the value of DEo for the net reaction of mitochondrial electron transfer.
(b) Calculate ΔG°' for this reaction.
(c) How many ATP molecules can theoretically be generated by this reaction if the standard free energy of ATP synthesis is 30.5 kJ/mol?

21. Dependence of Electromotiue Force on Concentrations Calculate the electromotive force (in volts) registered by an electrode immersed in a solution containing the following mixtures of NAD + and NADH at pH 7.0 and 25 °C, with reference to a half-cell of E= 0.00 V.

22. Electron Affinity of Compounds List the following substances in order of increasing tendency to accept electrons:

23. Direction of Oxidation-Reduction Reactions Which of the following reactions would be expected to proceed in the direction shown under standard conditions, assuming that the appropriate enzymes are present to catalyze them?

(a) Malate + NAD + oxaloacetate + NADH + H +
(b) Acetoacetate + NADH + H + β-hydroxybutyrate + NAD +
(c) Pyruvate + NADH + H + lactate + NAD +
(d) Pyruvate + β-hydroxybutyrate lactate + acetoacetate
(e) Malate + pyruvate oxaloacetate + lactate
(f ) Acetaldehyde + succinate ethanol + fumarate


شاهد الفيديو: Enzimi - 8. razred - Kemija (أغسطس 2022).