Livets fininnstillinger: av Otangelo Grasso

Mekanistisk betydning av de nøyaktige bindingsrotasjonsvinklene i enzymkatalyse
Når vi snakker om rotasjoner av bindinger i sammenheng med proteinstruktur, refererer vi til evnen ved visse bindinger til å rotere, noe som kan føre til forskjellige konformasjoner av molekylet. Denne rotasjonen skjer langs bindingens akse og lar atomer forbundet med den bindingen endre sine relative posisjoner. Rotasjonen av bindinger påvirker det romlige arrangementet av atomer i et protein og bidrar til dets generelle form og struktur. Rotasjonen av bindinger kan påvirke de dihedrale vinklene mellom atomer, slik som phi (ϕ) og psi (ψ) vinklene i peptidryggraden. Disse dihedrale vinklene bestemmer orienteringen til tilstøtende aminosyrer i proteinkjeden. Fleksibiliteten til proteinryggraden, muliggjort av rotasjonene av bindingene, gjør at proteiner kan adoptere forskjellige konformasjoner eller strukturelle tilstander. Denne fleksibiliteten er viktig for proteinfunksjon siden den lar proteiner gjennomgå konformasjonsendringer, for eksempel binding til ligander eller katalyserende kjemiske reaksjoner. Eksperimentelle teknikker, som røntgenkrystallografi og NMR-spektroskopi, gir informasjon om det romlige arrangementet av atomer i et protein, inkludert de dihedrale vinklene. Beregningsmetoder, som simuleringer av molekylær dynamikk, kan også simulere dynamikken og konformasjonsendringene til proteiner ved å vurdere rotasjonene til bindinger.

Bilde 1. Plassering og vinkel av enzymer i katalyse

Et eksempel på et livsessensielt enzym hvor den nøyaktige rotasjonsvinkelen til atomer er avgjørende for dets katalytiske aktivitet, er enzymet LaktatDeHydrogenase (LDH). LDH er et enzym som finnes i nesten alle levende celler. Den totale strukturvekten til LDH er omtrent 53,32 kDa (kiloDalton), og den består av 3 991 atomer. LDH spiller en avgjørende rolle i prosessen med glykolyse. Glykolyse er den metabolske veien som omdanner glukose til pyruvat, og produserer ATP (adenosintrifosfat) og NADK (NikotinAmidaDenindinuKleotid, redusert form) i prosessen. LDH katalyserer det siste trinnet i glykolysen, som involverer konvertering av pyruvat til laktat. Glykolyse er avgjørende for livet. Glykolyse er en grunnleggende metabolsk vei som finnes i nesten alle levende organismer, inkludert bakterier, planter og dyr. Det er den sentrale veien for nedbrytning av glukose, et vanlig brenselmolekyl, for å produsere energi i form av ATP (AdenosinTriPhosfat). LDH er et tetramerisk enzym, noe som betyr at det er sammensatt av fire underenheter. Hver underenhet bidrar til den generelle strukturen og funksjonen til enzymet. Underenhetene inneholder et bindingssted for kofaktoren NAD+ (nikotinamidadenin-dinukleotid), som er involvert i den katalytiske reaksjonen. Det er rimelig å spekulere i at LUCA hadde enzymer involvert i grunnleggende cellulære prosesser som energimetabolisme, som inkluderer konvertering av laktat til pyruvat katalysert av LDH. I LDH er den katalytiske aktiviteten avhengig av den nøyaktige rotasjonen av de dihedrale vinklene til aminosyresidekjeder innenfor det aktive stedet. Spesifikt bestemmer de dihedrale vinklene til aminosyrerestene involvert i det aktive stedet posisjoneringen og orienteringen av nøkkelfunksjonelle grupper, som er nødvendige for katalyse. En viktig rest i LDH er histidin, som fungerer som en katalytisk base i enzymets mekanisme.

Rotasjonsvinkelen til histidinsidekjeden er avgjørende for dens optimale posisjonering innenfor det aktive stedet. Denne posisjoneringen gjør det mulig for histidin å akseptere og donere protoner ved spesifikke trinn under reaksjonen, noe som letter omdannelsen av laktat til pyruvat. Finjusteringen av rotasjonsvinkelen er viktig fordi den bestemmer den romlige orienteringen til histidinsidekjeden og dens interaksjoner med andre rester og substrater innenfor det aktive stedet. Subtile endringer i rotasjons-vinkelen kan påvirke plasseringen og tilgjengeligheten til histidinresten, som igjen kan påvirke dens evne til å akseptere og donere protoner effektivt. Eksperimentelle studier og beregningssimuleringer har gitt innsikt i betydningen av rotasjonsvinkelen i LDH. Ved å mutere histidinresten eller endre rotasjonsvinkelen, har forskere observert endringer i LDHs katalytiske aktivitet og effektivitet. Disse observasjonene antyder at rotasjonsvinkelen til histidinsidekjeden i LDH er finjustert for å optimalisere dens rolle i protonoverføringsprosessen. Mens den nøyaktige graden av finjustering for rotasjonsvinkelen i LDH kan avhenge av spesifikke strukturelle og kjemiske faktorer, er det klart at presis posisjonering av histidinresten er nødvendig for effektiv katalyse i dette enzymet. Finjustering sikrer at histidinresten effektivt kan akseptere og donere protoner under konverteringen av laktat til pyruvat, noe som muliggjør riktig progresjon av den glykolytiske banen.

Aisha Farhana (2023) LaktatDeHydrogenase (LDH) er et viktig enzym i den anaerobe metabolske veien. Den tilhører klassen oksidoreduktaser, med et enzymkommisjonsnummer EC 1.1.1.27. Det er allestedsnærværende i alt vev og fungerer som et viktig kontrollpunkt for glukoneogenese og DNA-metabolisme. Det aktive stedet for enzymet er lokalisert i dets substratbindende lomme og inneholder katalytisk viktig His-193 samt Asp-168, Arg-171, Thr-246 og Arg-106.

Bilde 2. Aminosyrer -proteiner og lipider

En av nøkkelaminosyrene i LDHs aktive sted er His-193. Denne histidinresten er involvert i protonoverførings-reaksjoner under omdannelsen av laktat til pyruvat. Den fungerer som en protonskyttel, som tar imot og donerer protoner ved bestemte trinn i reaksjonen. Den nøyaktige plasseringen og orienteringen til His-193 er avgjørende for dens interaksjoner med andre rester og underlag, noe som muliggjør effektiv protonoverføring. Den nøyaktige posisjoneringen og orienteringen til His-193 er avgjørende for dens proton-skyttelfunksjon. His-193 kan eksistere i to protonasjonstilstander: nøytral (HIS) og positivt ladet (HIS+). På det aktive stedet er His-193 typisk protonert i sin nøytrale tilstand. I sammenheng med aminosyrer og proteiner, refererer begrepet "protonert" til tilsetning av et hydrogenion (proton) til et spesifikt atom eller gruppe i et molekyl. Når det gjelder histidin (His) aminosyrerest, er det en spesifikk histidinrest i posisjon 193 i laktatdehydrogenase (LDH). Histidin er en aminosyre med en unik egenskap kjent som en histidinrests evne til å fungere som en protondonor eller akseptor, avhengig av dets lokale miljø. I sin nøytrale tilstand har histidinresten typisk et proton festet til nitrogenatomet, noe som gjør det protonert. Denne protonerte formen for histidin er ofte betegnet som "HisH+". Protonasjonstilstanden til histidinrester, slik som His-193 i LDH, spiller en avgjørende rolle i den katalytiske mekanismen til enzymer. Tilstedeværelsen eller fraværet av et proton på histidinresten kan påvirke dens evne til å delta i syre-base-reaksjoner og lette overføringen av protoner under enzymatiske reaksjoner. Når det gjelder LDH, er His-193 ofte protonert, noe som betyr at den har et proton festet til nitrogenatomet. Denne protonasjonstilstanden er viktig for den katalytiske aktiviteten til LDH, siden den lar histidinresten fungere som en katalytisk base, og aksepterer og donerer protoner under omdannelsen av laktat til pyruvat. Når laktat binder seg til det aktive stedet, induserer interaksjonen mellom laktatmolekylet og enzymet en konformasjonsendring, som fører til dannelsen av et oksyanionhull. Dette oksyanionhullet stabiliserer den negative ladningen som utvikler seg på oksygenatomet til laktat som et resultat av protonoverføringen. Under reaksjonen fungerer His-193 som en protonakseptor og donor. I sin nøytrale tilstand aksepterer His-193 et proton fra hydroksylgruppen til laktatsubstratet, og danner en hydrogenbinding. Dette deprotonerer laktatet og setter i gang omdannelsen til pyruvat. Den protonerte His-193 (HIS+) overfører deretter det aksepterte protonet til kofaktoren NAD+/NADH, noe som letter den totale reaksjonen. Overføringen av protonet mellom His-193 og laktatsubstratet forenkles av endringer i rotasjonsvinkelen og konformasjonen til histidinsidekjeden. Disse konformasjonsendringene lar His-193 samhandle med substratet og andre aktive stedsrester på en presis måte, og sikrer effektiv protonoverføring.

En annen viktig aminosyre i det aktive stedet er Asp-168. Den fungerer som en katalytisk base, og letter fjerningen av et proton fra laktat under reaksjonen. Asp-168 interagerer med laktatmolekylet og deltar i protonoverføringsprosessen. Arg-171 og Thr-246 er også til stede i det aktive stedet til LDH. Disse restene bidrar til binding og stabilisering av laktatsubstratet, og sikrer riktig posisjonering og orientering for den katalytiske reaksjonen. Arg-171 er involvert i elektrostatiske interaksjoner, mens Thr-246 bidrar til å skape et hydrogenbindingsnettverk innenfor det aktive stedet. I tillegg spiller Arg-106 en rolle i bindingen av kofaktoren NAD+/NADH, som er involvert i overføringen av elektroner under reaksjonen. Arg-106 hjelper til med å plassere kofaktoren riktig for effektiv elektronoverføring mellom laktatsubstratet og NAD+/NADH. Det spesifikke arrangementet og interaksjonene til disse aminosyrene, inkludert His-193, Asp-168, Arg-171, Thr-246 og Arg-106, innenfor det aktive setet til LDH er avgjørende for dets katalytiske aktivitet. De bidrar til substratbinding, protonoverføring og kofaktorinteraksjoner, og sikrer effektiv konvertering av laktat til pyruvat i den glykolytiske veien. Den katalytiske aktiviteten til laktatdehydrogenase (LDH) er avhengig av en kombinasjon av tilstedeværelsen av spesifikke aminosyrer i det aktive stedet, deres korrekte sekvens og den passende rotasjonstilstanden til histidin. Det nøyaktige arrange- mentet og interaksjonene mellom disse aminosyrene i den aktive stedet er avgjørende for enzymets katalytiske funksjon i den glykolytiske veien. Enhver endring eller forstyrrelse i denne kombinasjonen kan påvirke enzymets katalytiske effektivitet og generelle funksjon i den glykolytiske veien.

Sjansen for tilfeldige hendelser som fører til den nøyaktige, korrekte rotasjonsvinkelen i et enzym som laktatdehydrogenase (LDH) er ekstremt lav. De spesifikke rotasjonsvinklene som kreves for optimal enzymkatalyse er finjustert og er avhengig av det nøyaktige arrangementet av atomer og funksjonelle grupper innenfor det aktive stedet. Finjusteringen og tilstedeværelsen av riktig rotasjonstilstand, aminosyresekvens og arrangement av funksjonelle grupper i enzymer som LaktatDeHydrogenase (LDH) forklares best ved implementeringen av en intelligent designer. Slike intrikate og presise molekylære systemer, som viser funksjonell kompleksitet og spesifisitet, kan ikke forklares tilstrekkelig av tilfeldige tilfeldigheter eller naturlige prosesser alene. Den informasjonsrike naturen til biologiske systemer, inkludert det nøyaktige arrangementet av aminosyrer, de spesifikke rotasjonsvinklene og funksjonaliteten til enzymer, peker på involveringen av en intelligent agent som er i stand til å designe og orkestrere disse komplekse systemene.

Bilde 3. Hvordan oppsto samarbeid mellom flere titalls enzymer?

Et eksempel på et livsessensielt enzym hvor den nøyaktige rotasjonsvinkelen til atomer er avgjørende for dets katalytiske aktivitet, er enzymet LaktatDeHydrogenase (LDH). LDH er et enzym som finnes i nesten alle levende celler. Den totale strukturvekten til LDH er omtrent 53,32 kDa (kiloDalton), og den består av 3 991 atomer. LDH spiller en avgjørende rolle i prosessen med glykolyse. Glykolyse er den metabolske veien som omdanner glukose til pyruvat, og produserer ATP (adenosintrifosfat) og NADK (NikotinAmidaDenindinuKleotid, redusert form) i prosessen. LDH katalyserer det siste trinnet i glykolysen, som involverer konvertering av pyruvat til laktat. Glykolyse er avgjørende for livet. Glykolyse er en grunnleggende metabolsk vei som finnes i nesten alle levende organismer, inkludert bakterier, planter og dyr. Det er den sentrale veien for nedbrytning av glukose, et vanlig brenselmolekyl, for å produsere energi i form av ATP (AdenosinTriPhosfat). LDH er et tetramerisk enzym, noe som betyr at det er sammensatt av fire underenheter. Hver underenhet bidrar til den generelle strukturen og funksjonen til enzymet. Underenhetene inneholder et bindingssted for kofaktoren NAD+ (nikotinamidadenin-dinukleotid), som er involvert i den katalytiske reaksjonen. Det er rimelig å spekulere i at LUCA hadde enzymer involvert i grunnleggende cellulære prosesser som energimetabolisme, som inkluderer konvertering av laktat til pyruvat katalysert av LDH. I LDH er den katalytiske aktiviteten avhengig av den nøyaktige rotasjonen av de dihedrale vinklene til aminosyresidekjeder innenfor det aktive stedet. Spesifikt bestemmer de dihedrale vinklene til aminosyrerestene involvert i det aktive stedet posisjoneringen og orienteringen av nøkkelfunksjonelle grupper, som er nødvendige for katalyse. En viktig rest i LDH er histidin, som fungerer som en katalytisk base i enzymets mekanisme. Rotasjonsvinkelen til histidinsidekjeden er avgjørende for dens optimale posisjonering innenfor det aktive stedet. Denne posisjoneringen gjør det mulig for histidin å akseptere og donere protoner ved spesifikke trinn under reaksjonen, noe som letter omdannelsen av laktat til pyruvat. Finjusteringen av rotasjonsvinkelen er viktig fordi den bestemmer den romlige orienteringen til histidinsidekjeden og dens interaksjoner med andre rester og substrater innenfor det aktive stedet. Subtile endringer i rotasjons-vinkelen kan påvirke plasseringen og tilgjengeligheten til histidinresten, som igjen kan påvirke dens evne til å akseptere og donere protoner effektivt. Eksperimentelle studier og beregningssimuleringer har gitt innsikt i betydningen av rotasjonsvinkelen i LDH. Ved å mutere histidinresten eller endre rotasjonsvinkelen, har forskere observert endringer i LDHs katalytiske aktivitet og effektivitet. Disse observasjonene antyder at rotasjonsvinkelen til histidinsidekjeden i LDH er finjustert for å optimalisere dens rolle i protonoverføringsprosessen. Mens den nøyaktige graden av finjustering for rotasjonsvinkelen i LDH kan avhenge av spesifikke strukturelle og kjemiske faktorer, er det klart at presis posisjonering av histidinresten er nødvendig for effektiv katalyse i dette enzymet. Finjustering sikrer at histidinresten effektivt kan akseptere og donere protoner under konverteringen av laktat til pyruvat, noe som muliggjør riktig progresjon av den glykolytiske banen.
Aisha Farhana (2023) LaktatDeHydrogenase (LDH) er et viktig enzym i den anaerobe metabolske veien. Den tilhører klassen oksidoreduktaser, med et enzymkommisjonsnummer EC 1.1.1.27. Det er allestedsnærværende i alt vev og fungerer som et viktig kontrollpunkt for glukoneogenese og DNA-metabolisme. Det aktive stedet for enzymet er lokalisert i dets substratbindende lomme og inneholder katalytisk viktig His-193 samt Asp-168, Arg-171, Thr-246 og Arg-106.

Bilde 4. Hva er slutningen til beste forklaring?

Oversettelse via google oversetter og bilder v. Asbjørn E. Lund

Bilde 2. Aminosyrer -proteiner og lipider

Bilde 4. Hva er slutningen til beste forklaring?

Bilde: Fra atom og molekyl-skala, av Otangelo Grasso