Az enzimatikus promiszkuitás egy enzim azon képessége , hogy a fő reakción kívül véletlenszerű mellékreakciót is katalizáljon. Bár az enzimek rendkívül specifikus katalizátorok, az elsődleges természetes katalitikus aktivitásuk mellett gyakran mellékreakciókat is végrehajthatnak [1] . Az enzim mellékaktivitása általában lassabban megy végbe, mint a főaktivitás, és semleges szelekció alatt áll. Bár általában ezek a tevékenységek fiziológiailag irrelevánsak, új szelektív nyomás hatására ezek a tevékenységek előnyösek lehetnek, és ezáltal a korábban másodlagos tevékenységek kialakulását ösztönzik az új elsődleges tevékenységgé [2] . Példa erre a Pseudomonas sp . _ , amely a melamin - deaminázból származik (a triA kódolja ), amely nagyon csekély mellékhatást fejt ki az atrazinnal, egy ember által előállított vegyszerrel [3] .
Enzimeket fejlesztenek ki, hogy egy specifikus reakciót katalizáljanak egy adott szubsztrátumon, nagy katalitikus hatékonysággal ( k cat /K M , lásd még Michaelis-Menten kinetikát ). Ezen főtevékenységen kívül azonban vannak másodlagos tevékenységeik is, amelyek aktivitásuk általában több nagyságrenddel alacsonyabb, és amelyek nem evolúciós szelekció eredménye, ezért nem vesznek részt a szervezet fiziológiájában. Ez a jelenség lehetővé teszi az enzimek számára, hogy új funkciókat töltsenek be, mivel a melléktevékenységek előnyösek lehetnek az új szelekciós nyomás alatt, ami az enzimet kódoló gén megkettőzéséhez és a mellékaktivitás új elsődleges tevékenységként történő kiválasztásához vezet.
Számos elméleti modell létezik a duplikáció és a specializáció változásának előrejelzésére, de a tényleges folyamat bonyolultabb és homályosabb (§ Rekonstruált enzimek lent) [4] . Egyrészt a génamplifikáció az enzimkoncentráció növekedéséhez és a korlátozó szabályozástól való potenciális mentességhez vezet, ami ennek következtében megnöveli az enzim mellékaktivitásának reakciósebességét ( v ), fiziológiailag kifejezettebbé téve annak hatását ("gén dózis hatás”) [5] . Másrészt az enzimek megnövekedett másodlagos aktivitást fejleszthetnek ki, az elsődleges aktivitás csekély elvesztésével („stabilitás”), kevés adaptív konfliktus mellett (§ Stabilitás és plaszticitás alább) [6] .
Négy különböző hidroláz (humán szérum paraoxonáz (PON1), pszeudomonád foszfotriészteráz (PTE), protein tirozin-foszfatáz (PTP) és humán karboanhidráz II (CAII)) vizsgálata kimutatta, hogy fő tevékenységük "ellenálló" a változásokkal szemben, míg a mellékaktivitások. "gyengébbek és rugalmasabbak. Különösen a melléktevékenységek megválasztása (irányított evolúció révén) kezdetben nem csökkenti az enzim fő aktivitását (tehát a "stabilitást"), hanem nagymértékben befolyásolja a melléktevékenységeket (ezért azok "plaszticitását") [6] .
A Pseudomonas diminuta - ból származó foszfotriészteráz (PTE) tizennyolc 10,ciklus alatt arilészterázzé (hidroláz P-O-tól C-O-ig) [7] .
Ez egyrészt azt jelenti, hogy egy speciális enzim (monofunkciós) az evolúció folyamatában egy univerzális szakaszon (multifunkcionális) megy keresztül, mielőtt újra specializálódna - feltehetően az IAD modell szerint génduplikáció után -, másrészt a melléktevékenységek plasztikusabbak, eltér a fő tevékenységtől.
Az enzimek fejlődésének legújabb és legszembetűnőbb példája a biológiailag helyreállító enzimek megjelenése az elmúlt 60 évben. Az aminosav szubsztitúciók igen kis száma miatt kiváló modellt nyújtanak az enzimek természetben történő evolúciójának tanulmányozásához. Ha azonban meglévő enzimeket használunk egy enzimcsalád fejlődésének meghatározására, azzal a hátránnyal jár, hogy egy újonnan kifejlődött enzimet összehasonlítanak a paralógokkal , anélkül, hogy ismernénk az ős valódi azonosságát, mielőtt a két gén eltér egymástól. Ez a probléma az ősök rekonstrukciójának köszönhetően megoldható. Linus Pauling és Emil Zuckerkandl javasolta először 1963-ban, az ősi rekonstrukció egy gén származtatása és szintézise egy géncsoport ősi formájából [8] , amelyet a közelmúltban újjáélesztettek továbbfejlesztett következtetési technikákkal [9] és alacsony költségű mesterségesen. génszintézis [10] , ami több ősi enzim tanulmányozását eredményezte, amelyeket egyesek "stemzimeknek" neveznek [11] [12] .
Az átformált enzimmel szerzett bizonyítékok arra utalnak, hogy az események sorrendje, amikor az új aktivitás javul és egy gén megkettőződik, nem egyértelmű, ellentétben azzal, amit a génevolúció elméleti modelljei sugallnak.
Egy tanulmány kimutatta, hogy az emlősök immunvédelmi proteázcsaládjának ősi génje szélesebb specificitással és nagyobb katalitikus hatékonysággal rendelkezik, mint a modern paralóg családé [11] , míg egy másik tanulmány kimutatta, hogy az ősi gerinces szteroidreceptor egy ösztrogénreceptor , amely kevés szubsztrát kétértelmű volt mások számára . hormonok, ami arra utal, hogy akkoriban valószínűleg nem szintetizálták őket [13] .
Az örökletes specifitásnak ezt a változatosságát nemcsak a különböző gének között, hanem ugyanazon géncsaládon belül is megfigyelték. A nagyszámú paralóg gomba α-glükozidáz gén fényében számos specifikus maltóz-szerű (maltóz, turanóz, maltotrióz, maltulóz és szacharóz) és izomaltóz-szerű (izomaltóz és palatinóz) szubsztráttal, a vizsgálat az összes kulcsfontosságú őst rekonstruálta. és megállapították, hogy a paralógok utolsó közös őse többnyire maltózszerű szubsztrátokon volt aktív, és csak nyomokban aktivitást mutatott az izomaltóz-szerű cukrokra, bár ez egy izomaltóz-glükozidáz-vonalhoz vezetett, és egy olyan vonalhoz, amely tovább hasadt maltóz-glükozidázokká és izomaltóz-glükozidázokká. Ezzel szemben az utolsó hasítás előtti ősnek kifejezettebb volt az izomaltózszerű glükozidáz aktivitása [4] .
Roy Jensen 1976-ban azt javasolta, hogy az elsődleges enzimeknek nagyon sokszínűnek kell lenniük ahhoz, hogy az anyagcsere-hálózatok patchwork módon épüljenek fel (innen ered a neve, a patchwork modell ). Ez az eredeti katalitikus sokoldalúság később elveszett az erősen katalitikusan specializált ortológ enzimek javára. [14] Ennek következtében számos központi anyagcsere enzim rendelkezik olyan szerkezeti homológokkal , amelyek az utolsó univerzális közös ős megjelenése előtt eltértek egymástól [15] .
A promiszkuitás nem csupán egy primordiális tulajdonság, hanem egy nagyon gyakori tulajdonság a modern genomokban. Számos kísérletet végeztek a promiszkuitás enzimaktivitás eloszlásának értékelésére E. coliban . E. coliban a 104 tesztelt egyedi gén közül (a Keio gyűjteményből [16] ) 21 eliminálható volt egy nem rokon E. coli fehérje túlzott expressziójával (az ASKA gyűjteményből származó plazmidok egyesített készletének felhasználásával [17] ). Azok a mechanizmusok, amelyekkel egy nem rokon ORF képes helyreállítani a kiütést, nyolc kategóriába sorolhatók: izoenzim-túlexpresszió (homológok), szubsztrát kétértelműség, transzport kétértelműség (tisztítás), katalitikus promiszkuitás, metabolikus fluxus fenntartása (beleértve egy nagy szintáz komponens túlzott expresszióját a szervezetben). aminotranszferáz alegység hiánya), bypass, szabályozó hatások és ismeretlen mechanizmusok [5] . Hasonlóképpen, az ORF gyűjtemény túlzott expressziója lehetővé tette az E. coli számára, hogy több mint egy nagyságrenddel növelje a rezisztenciát 237 toxikus környezetből 86-ban [18] .
Ismeretes, hogy a homológok időnként szokatlanok egymás alapvető reakcióival kapcsolatban [19] . Ezt a keresztpromisszkuitást leginkább az alkalikus foszfatáz szupercsalád tagjaival tanulmányozzák , amelyek több vegyület szulfát-, foszfonát-, monofoszfát-, difoszfát- vagy trifoszfát-észter-kötésénél a hidrolitikus reakciót katalizálják [20] . Az eltérés ellenére a homológok eltérő mértékű kölcsönös promiszkuitást mutatnak: a promiszkuitás különbségei az érintett mechanizmusokhoz kapcsolódnak, különösen a szükséges intermedierhez [20] .
Az enzimek általában olyan állapotba kerülnek, amely nemcsak a stabilitás és a katalitikus hatékonyság közötti kompromisszum, hanem a specifitásra és az evolúcióra is igaz, az utóbbi kettő határozza meg, hogy egy enzim sokoldalú-e (a nagy promiszkuitás miatt erősen fejlődött, de alacsony főtevékenység) vagy speciális (magas főtevékenység, a nagy érthetőség miatt rosszul fejlett) [21] . Példák a növények primer és másodlagos metabolizmusára szolgáló enzimek ( lásd alább a Másodlagos növényi metabolizmust ). Más tényezők is szerepet játszhatnak, például az Enterobacter aerogenes -ből származó glicerofoszfodiészteráz ( gpdQ ) az általa megkötött két fémiontól függően eltérő értéket mutat az általa megkötött fémionoktól függően, amint azt az ionok rendelkezésre állása határozza meg [22] .v Egyes esetekben a promiszkuitás növelhető, ha az aktív hely specificitását egyetlen mutációval növeljük, ahogy az E. coli L-Ala-D/L-Glu epimeráz D297G mutánsa (ycjG ) és az E323G laktonizáló enzim esetében is történt. A Pseudomonas muconate II. mutánsa, amely lehetővé teszi számukra, hogy véletlenszerűen katalizálják az O-szukcinil-benzoát szintáz ( menC ) aktivitását [23] . Ezzel szemben a promiszkuitás csökkenthető, mint az Abies grandisból származó γ-humulén-szintáz (szeszkviterpén-szintáz) esetében, amelyről ismert, hogy több mutációt követően 52 különböző szeszkviterpént állít elő farnezil-difoszfátból [24] .
Széles specifitású enzimekkel – nem válogatós, de fogalmilag rokon – végzett vizsgálatok, mint például az emlős tripszin és kimotripszin, valamint a Pyrococcus horikoshii bifunkciós izopropil-malát izomeráz/homoakonitáz , kimutatták, hogy az aktív hely hurok mobilitása nagyban hozzájárul az enzim katalitikus rugalmasságához [ 25] 26] .
A promiszkuitási aktivitás olyan nem natív aktivitás, amelyhez az enzim nem fejlődött ki, és az aktív hely akkomodatív konformációjából adódik. Az enzim fő aktivitása azonban nem csupán egy adott szubsztrátum magas katalitikus sebessége felé történő szelekció eredménye egy adott termék előállításához, hanem a mérgező vagy nem kívánt termékek képződésének elkerülése is [2] . Például, ha a tRNS-szintézis rossz aminosavat tölt be a tRNS-be, a kapott peptidnek váratlanul megváltoznak a tulajdonságai, ezért számos további domén is jelen van a pontosság javítása érdekében [27] . A tRNS-szintézis reakciójához hasonlóan a Bacillus brevis első tirocidin-szintetáz ( tyrA ) alegysége adenilezi a fenilalanin molekulát, hogy az adenilrészt hajtóerőként használja fel tirokidin, egy ciklikus, nem riboszómális peptid előállításához . Amikor az enzim specificitását vizsgálták, azt találták, hogy nagy szelektivitással rendelkezik a természetes aminosavak iránt, amelyek nem fenilalaninok, de sokkal jobban toleránsak a nem természetes aminosavakkal szemben [28] . Konkrétan a legtöbb aminosav nem katalizált, míg a következő legtöbb katalizált natív aminosav szerkezetében a tirozin volt, de egy ezredrészével több, mint a fenilalanin, míg számos nem kódoló aminosav jobban katalizált, mint a tirozin, nevezetesen a D-fenilalanin, β-ciklohexil. - L-alanin, 4-amino-L-fenilalanin és L-norleucin [28] .
A kiválasztott másodlagos aktivitás egyik speciális esete a restrikciós polimerázok és endonukleázok, ahol a helytelen aktivitás valójában a pontosság és az evolúció közötti kompromisszum eredménye. Például a restrikciós endonukleázok esetében a helytelen aktivitás ( csillagaktivitás ) gyakran végzetes a szervezet számára, de ennek a tevékenységnek egy kis része lehetővé teszi új funkciók kifejlesztését a kórokozók ellen [29] .
A növények nagyszámú másodlagos metabolitot termelnek az enzimeknek köszönhetően, amelyek az elsődleges metabolizmusban részt vevőktől eltérően katalitikusan kevésbé hatékonyak, de nagyobb mechanikai rugalmassággal (reakciótípusok) és szélesebb specificitással rendelkeznek. A liberális sodródási küszöb (amit a populáció kis méretéből adódó alacsony szelekciós nyomás okoz) lehetővé teszi, hogy az egyik táplálék által biztosított fitnesz-növekedés támogassa más tevékenységeket, még akkor is, ha ezek fiziológiailag haszontalanok [30] .
A biokatalízis során sok olyan reakciót keresnek, amely a természetben nem található meg. Ehhez irányított evolúcióval vagy racionális tervezéssel azonosítják és fejlesztik azokat az enzimeket, amelyek a kívánt reakcióhoz képest csekély promiszkuális aktivitással rendelkeznek [31] .
Egy széles körben kifejlesztett enzim például az ω-transzamináz, amely egy ketont királis aminnal helyettesíthet [32] , így a kereskedelemben különféle homológok könyvtárai állnak rendelkezésre gyors biobányászathoz (pl . Codexis ).
Egy másik példa a cisztein-szintáz ( cysM ) véletlenszerű aktivitásának a nukleofilekkel szembeni felhasználásának lehetősége nem-proteinogén aminosavak előállítására [33] .
Az enzimreakciók ( EC ) közötti hasonlóság a kapcsolódási változások, a reakcióközpontok vagy a szubstruktúra pontszámok ( EC-BLAST ) segítségével számítható [34] .
Míg a promiszkuitást többnyire a standard enzimkinetikák alapján tanulmányozzák, a gyógyszerkötés és az azt követő reakciók promiszkuális aktivitás, mivel az enzim inaktivációs reakciót katalizál egy új szubsztráttal szemben, amelyet nem fejlődött katalizálni [6] . Ez annak a ténynek tudható be, hogy a fehérjéknek csak kevés különálló ligandumkötő helyük van.
Másrészt az emlősök xenobiotikumainak metabolizmusát úgy alakították ki, hogy széles specifitással rendelkezzen az olyan idegen lipofil vegyületek oxidálására, megkötésére és eltávolítására, amelyek mérgezőek lehetnek, mint például a növényi alkaloidok, így az antropogén xenobiotikumok méregtelenítő képessége ennek a kiterjesztése. [35] .
| Enzimek | |
|---|---|
| Tevékenység | |
| Szabályozás | |
| Osztályozás | |
| Típusok |
|