Entsymaattinen promiscuity on entsyymin kyky katalysoida satunnaista sivureaktiota pääreaktionsa lisäksi. Vaikka entsyymit ovat erittäin spesifisiä katalyyttejä, ne voivat usein suorittaa sivureaktioita ensisijaisen luonnollisen katalyyttisen aktiivisuutensa lisäksi [1] . Entsyymin sivuaktiivisuus etenee yleensä pääaktiivisuuteen verrattuna hitaammin ja on neutraalin valinnan alaisena. Vaikka tavallisesti nämä toiminnot ovat fysiologisesti merkityksettömiä, uusissa selektiivisissä paineissa nämä toiminnot voivat olla hyödyllisiä, mikä saa aikaan aiemmin toissijaisten toimintojen kehittymisen uudeksi ensisijaiseksi toiminnaksi [2] . Esimerkki tästä on Pseudomonas sp . _ , joka on peräisin melamiinideaminaasista (koodaa triA ), jolla on hyvin vähän sivuvaikutuksia atratsiiniin, ihmisen valmistamaan kemikaaliin [3] .
Entsyymejä kehitetään katalysoimaan spesifinen reaktio tietyllä substraatilla korkealla katalyyttisellä tehokkuudella ( kcat / KM , katso myös Michaelis-Menten-kinetiikka ). Tämän pääaktiivisuuden lisäksi niillä on kuitenkin toissijaisia aktiviteetteja, jotka ovat yleensä useita suuruusluokkia pienempiä ja jotka eivät ole seurausta evoluutiosta, eivätkä siksi osallistu organismin fysiologiaan. Tämä ilmiö sallii entsyymien ottaa uusia toimintoja, koska sivuaktiivisuudet voivat hyötyä uusissa valintapaineissa, mikä johtaa entsyymiä koodaavan geenin kaksinkertaistumiseen ja sivuaktiivisuuden valintaan uudeksi ensisijaiseksi aktiivisuudeksi.
Kaksinkertaistumisjärjestyksen ja erikoistumisen muutoksen ennustamiseen on olemassa useita teoreettisia malleja, mutta varsinainen prosessi on mutkikkaampi ja sumeampi (§ Rekonstruoidut entsyymit alla) [4] . Toisaalta geenin monistuminen johtaa entsyymipitoisuuden nousuun ja mahdolliseen vapautumiseen rajoittavasta säätelystä, mikä lisää entsyymin sivuaktiivisuuden reaktionopeutta ( v ) tehden sen vaikutuksista selvempiä fysiologisesti ("geeniannostus"). vaikutus" [5] . Toisaalta entsyymit voivat kehittää lisääntynyttä sekundaarista aktiivisuutta pienellä primaarisen aktiivisuuden ("stabiilisuuden") menetyksellä ja vähän adaptiivista konfliktia (§ Stabiili ja plastisuus alla) [6] .
Tutkimus neljällä eri hydrolaasilla (ihmisen seerumin paraoksonaasi (PON1), pseudomonadifosfotriesteraasi (PTE), proteiinityrosiinifosfataasi (PTP) ja ihmisen hiilihappoanhydraasi II (CAII)) osoitti, että niiden pääaktiivisuus on "resistentti" muutokselle, kun taas sivuaktiviteetit ovat "heikompia ja joustavampia. Erityisesti sivuvaikutusten valinta (ohjatun evoluution kautta) ei aluksi vähennä entsyymin pääaktiivisuutta (siis sen "stabiilisuutta"), mutta vaikuttaa suuresti sivutoimintoihin (siis niiden "plastisuuteen") [6] .
Pseudomonas diminuta -bakteerin fosfotriesteraasi (PTE) kehittyi alkeellinen10aryyliesteraasiksi (hydrolaasi P-O - C-O) kahdeksassatoista syklissä, [7] .
Tämä tarkoittaa ensinnäkin sitä, että evoluutioprosessissa oleva erikoistunut entsyymi (monofunktionaalinen) kulkee universaalin vaiheen (monifunktionaalisen) läpi ennen kuin se erikoistuu uudelleen - oletettavasti IAD-mallin mukaisen geenin monistumisen jälkeen - ja toiseksi sivutoiminnat ovat plastisempia, poikkeaa päätoiminnasta.
Viimeisin ja silmiinpistävin esimerkki entsyymien kehityksestä on biologisesti korjaavien entsyymien ilmaantuminen viimeisten 60 vuoden aikana. Aminohapposubstituutioiden erittäin pienestä määrästä johtuen ne tarjoavat erinomaisen mallin entsyymien evoluution tutkimiseen luonnossa. Olemassa olevien entsyymien käyttämisessä entsyymiperheen kehittymisen määrittämiseen on kuitenkin se haittapuoli, että vasta kehittynyttä entsyymiä verrataan paralogeihin tietämättä esi-isän todellista identiteettiä ennen kuin nämä kaksi geeniä eroavat toisistaan. Tämä ongelma voidaan ratkaista esi-isien jälleenrakentamisen ansiosta. Linus Paulingin ja Emil Zuckerkandlin ensimmäisen kerran vuonna 1963 ehdottama esi-isten rekonstruktio on geenin johtaminen ja synteesi geeniryhmän [8] esi-isien muodosta, joka on äskettäin elvytetty parannetuilla päättelytekniikoilla [9] ja edullisilla keinotekoisilla menetelmillä. geenisynteesi [10] , mikä johti tarpeeseen tutkia useita esi-isien entsyymejä, joita jotkut kutsuvat "stemzymeiksi" [11] [12] .
Uudelleen muotoillulla entsyymillä saadut todisteet viittaavat siihen, että tapahtumien järjestys, kun uusi aktiivisuus paranee ja geeni kaksinkertaistuu, ei ole selkeä, toisin kuin teoreettiset geenievoluutiomallit ehdottavat.
Eräs tutkimus osoitti, että nisäkkään immuunipuolustuksen proteaasiperheen esi-isien geenillä oli laajempi spesifisyys ja korkeampi katalyyttinen teho kuin nykyaikaisella paralogiperheellä [11] , kun taas toinen tutkimus osoitti, että esi-isien selkärankaisten steroidireseptori oli estrogeenireseptori, jolla oli vähän substraattien epäselvyyttä muille . hormoneja, mikä viittaa siihen, että niitä ei todennäköisesti tuolloin syntetisoitu [13] .
Tätä perinnöllisen spesifisyyden vaihtelua ei ole havaittu vain eri geenien välillä, vaan myös saman geeniperheen sisällä. Kun otetaan huomioon suuri määrä paralogisia sieni-α-glukosidaasigeenejä, joissa on useita spesifisiä maltoosin kaltaisia (maltoosi, turanoosi, maltotrioosi, maltuloosi ja sakkaroosi) ja isomaltoosin kaltaisia (isomaltoosi ja palatinoosi) substraatteja, tutkimuksessa rekonstruoitiin kaikki tärkeimmät esi-isät. ja havaitsi, että paralogien viimeinen yhteinen esi-isä oli enimmäkseen aktiivinen maltoosin kaltaisilla substraateilla, joilla oli vain vähäistä aktiivisuutta isomaltoosin kaltaisille sokereille, vaikka se johti isomaltoosiglukosidaasien linjaan ja linjaan, joka pilkkoutui edelleen maltoosiglukosidaaseiksi ja isomaltoosiglukosidaaseiksi. Sitä vastoin esi-isällä ennen viimeistä pilkkoutumista oli selvempi isomaltoosin kaltainen glukosidaasiaktiivisuus [4] .
Roy Jensen ehdotti vuonna 1976, että primaaristen entsyymien on oltava hyvin epämääräisiä, jotta aineenvaihduntaverkostot voisivat koota tilkkutyylillä (tästä sen nimi, patchwork-malli ). Tämä alkuperäinen katalyyttinen monipuolisuus menetettiin myöhemmin erittäin katalyyttisesti erikoistuneiden ortologisten entsyymien hyväksi. [14] Tämän seurauksena monilla keskusaineenvaihdunnan entsyymeillä on rakenteellisia homologia , jotka erosivat ennen viimeisen universaalin yhteisen esi -isän syntymistä [15] .
Promiscuity ei ole vain alkuperäinen ominaisuus, vaan hyvin yleinen ominaisuus nykyaikaisissa genomeissa. Useita kokeita suoritettiin promiscuity-entsyymiaktiivisuuden jakautumisen arvioimiseksi E. colissa . E. colissa 21 104 testatusta yksittäisestä geenistä (Keio-kokoelmasta [ 16] ) voitiin eliminoida yliekspressoimalla ei-sukulainen E. coli -proteiini (käyttäen yhdistettyä plasmidien sarjaa ASKA-kokoelmasta [17] ). Mekanismit, joilla ei-suvullinen ORF voi palauttaa poistohäviön, voidaan ryhmitellä kahdeksaan luokkaan: isoentsyymien yli-ilmentyminen (homologit), substraattien epäselvyys, kuljetuksen epäselvyys (puhdistus), katalyyttinen promiscuity, aineenvaihduntavirran ylläpito (mukaan lukien suuren syntaasikomponentin yli-ilmentyminen aminotransferaasialayksikön puuttuminen), ohitus, säätelyvaikutukset ja tuntemattomat mekanismit [5] . Vastaavasti ORF-kokoelman yli-ilmentyminen mahdollisti E. colin lisäyksen resistenssiin yli suuruusluokkaa 86:ssa 237:stä myrkyllisestä ympäristöstä [18] .
Tiedetään, että homologit ovat toisinaan epämääräisiä toistensa perusreaktioiden suhteen [19] . Tätä ristiriitaisuutta tutkitaan eniten alkalisen fosfataasien superperheen jäsenillä , jotka katalysoivat hydrolyyttistä reaktiota useiden yhdisteiden sulfaatti-, fosfonaatti-, monofosfaatti-, difosfaatti- tai trifosfaattiesterisidoksessa [20] . Eroavuuksista huolimatta homologeilla on eriasteista keskinäistä promiskuiteettia: erot promiskuiteissa liittyvät asiaan liittyviin mekanismeihin, erityisesti vaadittavaan välituotteeseen [20] .
Entsyymeillä on taipumus olla tilassa, joka ei ole vain kompromissi stabiilisuuden ja katalyyttisen tehokkuuden välillä, vaan tämä pätee myös spesifisyyteen ja kehitettävyyteen, ja kaksi jälkimmäistä määräävät, onko entsyymi monipuolinen (korkeasti kehittynyt suuren epämääräisyyden vuoksi, mutta alhainen päätoiminta) tai erityinen (korkea päätoiminta, huonosti kehittynyt korkean ymmärrettävyyden vuoksi) [21] . Esimerkkejä ovat entsyymit primaariseen ja sekundääriseen aineenvaihduntaan kasveissa (§ Sekundaarinen kasviaineenvaihdunta alla). Muitakin tekijöitä voi tulla esille, esimerkiksi Enterobacter aerogenesin glyserofosfodiesteraasi ( gpdQ ) osoittaa erilaisia arvoja sen sitoutuneesta kahdesta metalli-ionista riippuen ionien saatavuudesta [22] .v Joissakin tapauksissa promiscuity voidaan lisätä heikentämällä aktiivisen kohdan spesifisyyttä lisäämällä sitä yhdellä mutaatiolla, kuten tapahtui E. colin L-Ala-D/L-Glu- epimeraasin D297G-mutantille (ycjG ) ja laktonoivalle entsyymille E323G Pseudomonas mukonaatin II-mutantti, jonka ansiosta ne voivat satunnaisesti katalysoida O-sukkinyylibentsoaattisyntaasin ( menC ) aktiivisuutta [23] . Päinvastoin, laiminlyöntiä voidaan vähentää, kuten tapahtui Abies grandiksesta peräisin olevan y-humuleenisyntaasin (seskviterpeenisyntaasin) tapauksessa , jonka tiedetään tuottavan 52 erilaista seskviterpeeniä farnesyylidifosfaatista useiden mutaatioiden jälkeen [24] .
Tutkimukset entsyymeillä, joilla on laaja spesifisyys – ei poikkeuksellinen, mutta käsitteellisesti sukua –, kuten nisäkästrypsiini ja kymotrypsiini sekä bifunktionaalinen isopropyylimalaatti-isomeraasi/homoakonitaasi Pyrococcus horikoshiista , ovat osoittaneet, että aktiivisen kohdan silmukan liikkuvuus myötävaikuttaa suuresti entsyymin katalyyttiseen elastisuuteen [ 25] . 26] .
Promiscuity-aktiivisuus on ei-natiivi aktiivisuus, johon entsyymi ei ole kehittynyt, mikä johtuu aktiivisen kohdan mukautuvasta konformaatiosta. Entsyymin pääaktiivisuus ei kuitenkaan johdu pelkästään valikoinnista kohti korkeaa katalyyttistä nopeutta tietyn substraatin suhteen tietyn tuotteen saamiseksi, vaan myös myrkyllisten tai ei-toivottujen tuotteiden muodostumisen välttämisestä [2] . Esimerkiksi, jos tRNA-synteesi lataa väärän aminohapon tRNA:han, tuloksena olevalla peptidillä on odottamattomasti muuttuneet ominaisuudet, minkä vuoksi läsnä on useita lisädomeeneja tarkkuuden parantamiseksi [27] . Kuten tRNA-synteesireaktiossa, Bacillus brevisin ensimmäinen tyrosidiinisyntetaasin ( tyrA ) alayksikkö adenyloi fenyylialaniinimolekyylin käyttääkseen adenyyliosaa vipuvaikutuksena tyrokidiinin, syklisen ei- ribosomaalisen peptidin , tuottamiseksi . Kun entsyymin spesifisyyttä tutkittiin, sillä havaittiin olevan korkea selektiivisyys luonnollisille aminohapoille, jotka eivät ole fenyylialaniinia, mutta jotka sietävät paljon paremmin ei-luonnollisia aminohappoja [28] . Erityisesti useimmat aminohapot eivät katalysoituneet, kun taas seuraavaksi katalysoitunein natiivi aminohappo oli rakenteeltaan tyrosiini, mutta tuhannesosan enemmän kuin fenyylialaniini, kun taas useat ei-koodaavat aminohapot katalysoivat paremmin kuin tyrosiini, nimittäin D-fenyylialaniini, β-sykloheksyyli - L-alaniini, 4-amino-L-fenyylialaniini ja L-norleusiini [28] .
Eräs spesifinen tapaus valitusta sekundaarisesta aktiivisuudesta on restriktiopolymeraasit ja endonukleaasit, joissa virheellinen aktiivisuus on itse asiassa seurausta tarkkuuden ja kehittyvyyden välisestä kompromissista. Esimerkiksi restriktioendonukleaasien kohdalla virheellinen aktiivisuus ( tähtiaktiivisuus ) on usein kohtalokasta organismille, mutta pieni määrä tätä aktiivisuutta mahdollistaa uusien toimintojen kehittämisen patogeenien torjumiseksi [29] .
Kasvit tuottavat suuren määrän sekundaarisia metaboliitteja johtuen entsyymeistä, jotka, toisin kuin primaariseen aineenvaihduntaan osallistuvat, ovat vähemmän katalyyttisesti tehokkaita, mutta niillä on suurempi mekaaninen elastisuus (reaktiotyypit) ja laajempi spesifisyys. Liberaali drift-kynnys (joka johtuu pienestä populaatiokoosta johtuvasta alhaisesta valintapaineesta) mahdollistaa yhden ruoan tarjoaman kuntohyödyn tukemaan muita aktiviteetteja, vaikka ne voivat olla fysiologisesti hyödyttömiä [30] .
Biokatalyysissä he etsivät monia reaktioita, joita ei löydy luonnosta. Tätä varten tunnistetaan ja kehitetään entsyymejä, joiden aktiivisuus on vähäinen suhteessa haluttuun reaktioon, ohjatun evoluution tai rationaalisen suunnittelun avulla [31] .
Esimerkki laajalti kehittyneestä entsyymistä on ω-transaminaasi, joka voi korvata ketonin kiraalisella amiinilla [32] ja siten erilaisten homologien kirjastoja on kaupallisesti saatavilla nopeaa biolouhintaa varten (esim . Codexis ).
Toinen esimerkki on mahdollisuus käyttää kysteiinisyntaasin ( cysM ) satunnaista aktiivisuutta nukleofiileja kohtaan ei-proteinogeenisten aminohappojen saamiseksi [33] .
Entsymaattisten reaktioiden ( EC ) välinen samankaltaisuus voidaan laskea käyttämällä sidosmuutoksia, reaktiokeskuksia tai alarakennepisteitä ( EC-BLAST ) [34] .
Vaikka promiskuiteettia tutkitaan enimmäkseen standardin entsyymin kinetiikkaan liittyen, lääkkeiden sitoutuminen ja niiden myöhempi reaktio on järjetöntä aktiivisuutta, koska entsyymi katalysoi inaktivaatioreaktiota uutta substraattia vastaan, jota se ei ole kehittynyt katalysoimaan [6] . Tämä voi johtua siitä, että proteiineissa on vain pieni määrä erillisiä ligandia sitovia kohtia.
Toisaalta nisäkkäiden ksenobioottien aineenvaihdunta on suunniteltu siten, että sillä on laaja spesifisyys vieraiden lipofiilisten yhdisteiden, jotka voivat olla myrkyllisiä, kuten kasvialkaloideja, hapettamiseksi, sitomiseksi ja poistamiseksi, joten niiden kyky puhdistaa ihmisperäisiä ksenobiootteja on tämän laajennus. [35] .
| Entsyymit | |
|---|---|
| Toiminta | |
| Säätö | |
| Luokitus | |
| Tyypit |
|