Химическая специфичность

Химическая специфичность — это способность участка связывания макромолекулы белка (например, ) связывать специфические лиганды . Чем меньше лигандов может связать белок, тем выше его специфичность.

Специфичность описывает силу связывания между данным белком и лигандом. Эту связь можно описать константой диссоциации , характеризующей баланс между связанными и несвязанными состояниями системы белок-лиганд. ^{[ 1 ]} В контексте одного фермента и пары связывающих молекул два лиганда можно сравнить как более сильные или более слабые лиганды (для фермента) на основе их констант диссоциации. (Меньшее значение соответствует более сильной привязке.)

Специфичность к набору лигандов не связана со способностью фермента данную реакцию катализировать с лигандом в качестве субстрата. ^{[ 1 ]}

Если данный фермент обладает высокой химической специфичностью, это означает, что набор лигандов, с которыми он связывается, ограничен, так что ни события связывания, ни катализ не могут происходить с заметной скоростью с дополнительными молекулами.

Примером пары белок-лиганд, связывающая активность которой может быть высокоспецифичной, является система антитело - антиген . ^{[ 2 ]} Созревание аффинности обычно приводит к высокоспецифичным взаимодействиям, тогда как наивные антитела беспорядочны и связывают большее количество лигандов. ^{[ 3 ]} И наоборот, примером системы белок-лиганд, которая может связывать субстраты и эффективно катализировать множественные реакции, является система цитохрома P450 , которую можно считать беспорядочным ферментом из-за ее широкой специфичности в отношении нескольких лигандов. Протеазы представляют собой группу ферментов, обладающих широким спектром специфичности расщепления. Неразборчивые протеазы как пищеварительные ферменты неспецифически расщепляют пептиды, тогда как высокоспецифичные протеазы участвуют в сигнальных каскадах. ^{[ 4 ]}

Основа

Связывание

Взаимодействия между белком и лигандом существенно влияют на специфичность между двумя объектами. Известно, что электростатические взаимодействия и гидрофобные взаимодействия оказывают наибольшее влияние на то, откуда возникает специфичность между двумя молекулами. ^{[ 5 ]} Сила этих взаимодействий между белком и лигандом часто положительно коррелирует с их специфичностью друг к другу.

Специфика процесса связывания сильно зависит от гибкости партнеров по связыванию. Жесткий белок очень ограничен в своих возможностях связывания. Гибкий белок может адаптировать свою конформацию к большему числу лигандов и, следовательно, является более неразборчивым. Поскольку процесс связывания обычно приводит к затвердеванию обоих партнеров по связыванию в комплексе, связывание гибкого белка обычно сопровождается энтропийными потерями. Это основная причина часто встречающейся положительной корреляции аффинности связывания и специфичности связывания. Антитела демонстрируют сильную корреляцию между жесткостью и специфичностью. ^{[ 6 ]}^{[ 3 ]} Эта корреляция выходит далеко за рамки паратопа антител. ^{[ 7 ]}

Катализ

Специфичность фермента относится к взаимодействиям между любым конкретным ферментом и соответствующим ему субстратом. Помимо специфичности связывания субстратов, правильная близость и ориентация, а также связывание переходного состояния обеспечивают дополнительный уровень специфичности фермента.

Типы

Ферменты различаются по специфичности субстратов, с которыми они связываются для выполнения определенных физиологических функций. Некоторым ферментам может потребоваться менее специфичность, и поэтому они могут связываться с многочисленными субстратами, катализируя реакцию. С другой стороны, некоторые физиологические функции требуют чрезвычайной специфичности фермента к одному конкретному субстрату, чтобы произошла правильная реакция и физиологический фенотип. Различные типы классификаций различаются в зависимости от их специфики для субстратов. В целом их делят на четыре группы: абсолютную, групповую, связанную и стереохимическую специфичность.

Абсолютная специфичность

Абсолютную специфичность можно рассматривать как исключительную, при которой фермент действует на один конкретный субстрат. ^{[ 8 ]} Абсолютно специфические ферменты катализируют только одну реакцию со своим специфическим субстратом. Например, лактаза — это фермент, специфичный для расщепления лактозы на два сахарных моносахарида, глюкозу и галактозу. Другим примером является глюкокиназа , которая представляет собой фермент, участвующий в фосфорилировании глюкозы в глюкозо-6-фосфат. Он преимущественно активен в печени и является основным изоферментом гексокиназы . ^{[ 9 ]} Его абсолютная специфичность заключается в том, что глюкоза является единственной гексозой, которая может быть его субстратом, в отличие от гексокиназы, которая в качестве субстрата использует множество гексоз.

Специфика группы

Групповая специфичность возникает, когда фермент реагирует только с молекулами, имеющими определенные функциональные группы, такие как ароматические структуры, фосфатные группы и метильные группы. ^{[ 10 ]} Одним из примеров является пепсин, фермент, играющий решающую роль в переваривании продуктов, поступающих в наш рацион, который гидролизует пептидные связи между гидрофобными аминокислотами, распознавая ароматические боковые цепи, такие как фенилаланин, триптофан и тирозин. Другим примером является гексокиназа, фермент, участвующий в гликолизе, который фосфорилирует глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата. Этот фермент проявляет групповую специфичность, позволяя использовать в качестве субстрата несколько гексоз (6 углеродных сахаров). ^{[ 11 ]} Глюкоза является одним из наиболее важных субстратов в метаболических путях с участием гексокиназы из-за ее роли в гликолизе, но не является единственным субстратом, с которым гексокиназа может катализировать реакцию.

Специфика облигаций

Реакция, показывающая, как фермент расщепляет определенную связь реагента с образованием двух продуктов.

Специфичность связи, в отличие от групповой специфичности, распознает определенные типы химических связей. Это отличается от групповой специфичности, поскольку зависит не от присутствия определенных функциональных групп, катализирующих конкретную реакцию, а от определенного типа связи (например, пептидной связи).

Стереохимическая специфичность

Сахара, содержащие альфа-гликозидные связи

Этот тип специфичности чувствителен к оптической активности ориентации субстрата. Стереохимические молекулы различаются по способу вращения плоскополяризованного света или ориентации связей (см. альфа-, бета-гликозидные связи). Ферменты, обладающие стереохимической специфичностью, связывают субстраты с этими особыми свойствами. Например, бета-гликозидаза будет реагировать только с бета-гликозидными связями, которые присутствуют в целлюлозе, но не присутствуют в крахмале и гликогене, которые содержат альфа-гликозидные связи. Это имеет отношение к тому, как млекопитающие способны переваривать пищу. Например, в слюне млекопитающих присутствует фермент амилаза , стереоспецифичный к альфа-связям, поэтому млекопитающие способны эффективно использовать в качестве форм энергии крахмал и гликоген, но не целлюлозу (потому что это бета-связь). ).

Определение

Удельную равновесную константу диссоциации образования фермент-субстратного комплекса называют $k_{d}$ . Он используется как мера сродства: более высокие значения указывают на более низкое сродство.

Для данного уравнения (E = фермент, S = субстрат, P = продукт),

E+S{\overset {k_{1}}{\underset {k_{-}{1}}{\Longleftrightarrow }}}ES{\overset {k_{2}}{\Longleftrightarrow }}E+P

$k_{d}$ было бы эквивалентно $k_{-1}/k_{1}$ , где $k_{1}$ и $k_{-1}$ – скорости прямой и обратной реакции соответственно при превращении отдельных E и S в фермент-субстратный комплекс.

Теория информации позволяет дать более количественное определение специфичности путем расчета энтропии в спектре связывания. ^{[ 4 ]}

Приложение к кинетике ферментов

Химическую специфичность фермента к конкретному субстрату можно определить с помощью двух переменных, полученных из уравнения Михаэлиса-Ментен . $k_{m}$ приближается к константе диссоциации фермент-субстратных комплексов. $k_{cat}$ представляет скорость оборота или количество реакций, катализируемых ферментом, сверх количества фермента. $k_{cat}$ над $k_{m}$ известна как константа специфичности , которая дает меру сродства субстрата к определенному ферменту. Это соотношение, также известное как эффективность фермента, показывает предпочтение фермента определенному субстрату. Чем выше константа специфичности фермента, тем выше предпочтение этого субстрата.

Значение

Актуальность медицинских исследований

Ферментативная специфичность дает полезную информацию о структуре фермента , которая в конечном итоге определяет и играет роль в физиологических функциях. ^{[ 12 ]} Исследования специфичности также могут предоставить информацию о каталитическом механизме.

Специфичность важна для открытия новых лекарств и области клинических исследований, поскольку новые лекарства проверяются на специфичность к целевой молекуле в различных раундах клинических испытаний. Лекарства должны содержать как можно более специфические структуры, чтобы свести к минимуму возможность нецелевых эффектов, которые могут вызвать неблагоприятные симптомы у пациента. Лекарства зависят от специфичности разработанных молекул и составов для ингибирования определенных молекулярных мишеней. ^{[ 1 ]} Открытие новых лекарств происходит благодаря экспериментам с высокоспецифичными соединениями. Например, необходимо доказать, что лекарственные средства успешно выполняют свои функции, — это как способность связывать рецептор-мишень в физиологической среде с высокой специфичностью, так и его способность передавать сигнал, вызывая благоприятный биологический эффект против болезни или заболевания, которое вызывается лекарством. препарат предназначен для отрицания. ^{[ 13 ]}

Приложения

Научные методы, такие как иммуноокрашивание, зависят от химической специфичности. Иммуноокрашивание использует химическую специфичность антител для обнаружения интересующего белка на клеточном уровне. ^{[ 14 ]} Другой метод, основанный на химической специфичности, — это вестерн-блоттинг, который используется для обнаружения определенного интересующего белка в ткани. Этот метод включает гель-электрофорез с последующим переносом образца на мембрану, окрашенную антителами. Антитела специфичны к интересующему белку-мишени и будут содержать флуоресцентную метку, сигнализирующую о присутствии интересующего исследователя белка. ^{[ 15 ]}

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Итон, Брюс Э.; Золото, Ларри; Зичи, Доминик А. (1 октября 1995 г.). «Давайте уточним: взаимосвязь между специфичностью и близостью» . Химия и биология . 2 (10): 633–638. дои : 10.1016/1074-5521(95)90023-3 . ПМИД 9383468 .
^ Танфорд, Чарльз (1968). «Химическая основа разнообразия и специфичности антител». Отчеты о химических исследованиях . 1 (6): 161–167. дои : 10.1021/ar50006a001 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Фернандес-Кинтеро, Моника Л.; Жорж, Ги; Варга, Янош М.; Лидл, Клаус Р. (2021). «Ансамбли в растворе как новая парадигма прогнозирования и проектирования структуры антител» . МАБ . 13 (1): e1923122. дои : 10.1080/19420862.2021.1923122 . ПМК 8158028 . ПМИД 34030577 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Фукс, Джулиан Э.; фон Графенштейн, Сюзанна; Хубер, Роланд Г.; Маргрейтер, Майкл А.; Спитцер, Гудрун М.; Валлнофер, Ханнес Г.; Лидл, Клаус Р. (18 апреля 2013 г.). «Энтропия расщепления как количественная мера специфичности протеазы» . ПЛОС Компьютерная Биол . 9 (4): e1003007. Бибкод : 2013PLSCB...9E3007F . дои : 10.1371/journal.pcbi.1003007 . ISSN 1553-7358 . ПМК 3630115 . ПМИД 23637583 .
^ Вальднер, Биргит Дж.; Крамл, Джон; Калер, Урсула; Спинн, Александр; Шауперль, Майкл; Подевиц, Марен; Кручиани, Габриэле; Лидл, Клаус Р. (2018). «Электростатическое распознавание при связывании субстрата с сериновыми протеазами» . Журнал молекулярного распознавания . 31 (10):e2727. дои : 10.1002/jmr.2727 . ПМК 6175425 . ПМИД 29785722 .
^ Фернандес-Кинтеро, Моника Л.; Леффлер, Йоханнес Р.; Крамль, Йоханнес; Калер, Урсула; Каменик, Анна С.; Лидл, Клаус Р. (2019). «Характеристика разнообразия конформационных ансамблей петли CDR-H3 в зависимости от свойств связывания антител» . Границы в иммунологии . 9 : 3065. дои : 10.3389/fimmu.2018.03065 . ПМК 6330313 . ПМИД 30666252 .
^ Фернандес-Кинтеро, Моника Л.; Леффлер, Йоханнес Р.; Бахер, Лиза М.; Вайбль, Франц; Зайдлер, Кларисса А.; Лидл, Клаус Р. (2020). «Локальная и глобальная жесткость при созревании аффинности антител» . Границы молекулярных биологических наук . 7 :182. doi : 10.3389/fmolb.2020.00182 . ПМЦ 7426445 . ПМИД 32850970 .
^ «Специфичность фермента» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 8 мая 2016 г.
^ «GCK-глюкокиназа [Homo sapiens (человек)] - Ген - NCBI» . www.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 12 июня 2016 г.
^ «Центр биомолекулярного моделирования MSOE - Учебные пособия по Jmol по структуре белка»>» . cbm.msoe.edu . Архивировано из оригинала 2 июня 2016 г. Проверено 19 мая 2016 г.
^ Сенер, А; Жируа, Миннесота; Дюфран, СП; Малайс, WJ (1 сентября 1985 г.). «Аномерная специфичность активности гексокиназы и глюкокиназы в печени и клетках, продуцирующих инсулин» . Биохимический журнал . 230 (2): 345–351. дои : 10.1042/bj2300345 . ISSN 0264-6021 . ПМЦ 1152624 . ПМИД 3902008 .
^ Пи, На; Лири, Джули А. (1 февраля 2004 г.). «Определение констант специфичности фермента/субстрата с использованием анализа ESI-MS с несколькими субстратами». Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 15 (2): 233–243. дои : 10.1016/j.jasms.2003.10.009 . ПМИД 14766290 .
^ "drug_receptor_theory [ТУСОМ | Фармвики]" . tmedweb.tulane.edu . Проверено 11 июня 2016 г.
^ Майти, Бисванат; Шефф, Дэвид; Фишер, Рори А. (1 января 2013 г.). Иммуноокрашивание: определение местоположения сигнального белка в тканях, клетках и субклеточных компартментах . Методы клеточной биологии. Том. 113. С. 81–105. дои : 10.1016/B978-0-12-407239-8.00005-7 . ISBN 9780124072398 . ISSN 0091-679X . ПМИД 23317899 .
^ Басс, Джей-Джей; Уилкинсон, диджей; Рэнкин, Д.; Филлипс, Британская Колумбия; Шевчик, Нью-Джерси; Смит, К.; Атертон, Пи Джей (5 июня 2016 г.). «Обзор технических соображений применения вестерн-блоттинга в физиологических исследованиях» . Скандинавский журнал медицины и науки в спорте . 27 (1): 4–25. дои : 10.1111/sms.12702 . ISSN 1600-0838 . ПМК 5138151 . ПМИД 27263489 .

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Итон, Брюс Э.; Золото, Ларри; Зичи, Доминик А. (1 октября 1995 г.). «Давайте уточним: взаимосвязь между специфичностью и близостью» . Химия и биология . 2 (10): 633–638. дои : 10.1016/1074-5521(95)90023-3 . ПМИД 9383468 .

[2] Танфорд, Чарльз (1968). «Химическая основа разнообразия и специфичности антител». Отчеты о химических исследованиях . 1 (6): 161–167. дои : 10.1021/ar50006a001 .

[fqm-3] Перейти обратно: ^а ^б Фернандес-Кинтеро, Моника Л.; Жорж, Ги; Варга, Янош М.; Лидл, Клаус Р. (2021). «Ансамбли в растворе как новая парадигма прогнозирования и проектирования структуры антител» . МАБ . 13 (1): e1923122. дои : 10.1080/19420862.2021.1923122 . ПМК 8158028 . ПМИД 34030577 .

[Fuchs-4] Перейти обратно: ^а ^б Фукс, Джулиан Э.; фон Графенштейн, Сюзанна; Хубер, Роланд Г.; Маргрейтер, Майкл А.; Спитцер, Гудрун М.; Валлнофер, Ханнес Г.; Лидл, Клаус Р. (18 апреля 2013 г.). «Энтропия расщепления как количественная мера специфичности протеазы» . ПЛОС Компьютерная Биол . 9 (4): e1003007. Бибкод : 2013PLSCB...9E3007F . дои : 10.1371/journal.pcbi.1003007 . ISSN 1553-7358 . ПМК 3630115 . ПМИД 23637583 .

[5] Вальднер, Биргит Дж.; Крамл, Джон; Калер, Урсула; Спинн, Александр; Шауперль, Майкл; Подевиц, Марен; Кручиани, Габриэле; Лидл, Клаус Р. (2018). «Электростатическое распознавание при связывании субстрата с сериновыми протеазами» . Журнал молекулярного распознавания . 31 (10):e2727. дои : 10.1002/jmr.2727 . ПМК 6175425 . ПМИД 29785722 .

[6] Фернандес-Кинтеро, Моника Л.; Леффлер, Йоханнес Р.; Крамль, Йоханнес; Калер, Урсула; Каменик, Анна С.; Лидл, Клаус Р. (2019). «Характеристика разнообразия конформационных ансамблей петли CDR-H3 в зависимости от свойств связывания антител» . Границы в иммунологии . 9 : 3065. дои : 10.3389/fimmu.2018.03065 . ПМК 6330313 . ПМИД 30666252 .

[7] Фернандес-Кинтеро, Моника Л.; Леффлер, Йоханнес Р.; Бахер, Лиза М.; Вайбль, Франц; Зайдлер, Кларисса А.; Лидл, Клаус Р. (2020). «Локальная и глобальная жесткость при созревании аффинности антител» . Границы молекулярных биологических наук . 7 :182. doi : 10.3389/fmolb.2020.00182 . ПМЦ 7426445 . ПМИД 32850970 .

[8] «Специфичность фермента» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 8 мая 2016 г.

[9] «GCK-глюкокиназа [Homo sapiens (человек)] - Ген - NCBI» . www.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 12 июня 2016 г.

[10] «Центр биомолекулярного моделирования MSOE - Учебные пособия по Jmol по структуре белка»>» . cbm.msoe.edu . Архивировано из оригинала 2 июня 2016 г. Проверено 19 мая 2016 г.

[11] Сенер, А; Жируа, Миннесота; Дюфран, СП; Малайс, WJ (1 сентября 1985 г.). «Аномерная специфичность активности гексокиназы и глюкокиназы в печени и клетках, продуцирующих инсулин» . Биохимический журнал . 230 (2): 345–351. дои : 10.1042/bj2300345 . ISSN 0264-6021 . ПМЦ 1152624 . ПМИД 3902008 .

[12] Пи, На; Лири, Джули А. (1 февраля 2004 г.). «Определение констант специфичности фермента/субстрата с использованием анализа ESI-MS с несколькими субстратами». Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 15 (2): 233–243. дои : 10.1016/j.jasms.2003.10.009 . ПМИД 14766290 .

[13] "drug_receptor_theory [ТУСОМ | Фармвики]" . tmedweb.tulane.edu . Проверено 11 июня 2016 г.

[14] Майти, Бисванат; Шефф, Дэвид; Фишер, Рори А. (1 января 2013 г.). Иммуноокрашивание: определение местоположения сигнального белка в тканях, клетках и субклеточных компартментах . Методы клеточной биологии. Том. 113. С. 81–105. дои : 10.1016/B978-0-12-407239-8.00005-7 . ISBN 9780124072398 . ISSN 0091-679X . ПМИД 23317899 .

[15] Басс, Джей-Джей; Уилкинсон, диджей; Рэнкин, Д.; Филлипс, Британская Колумбия; Шевчик, Нью-Джерси; Смит, К.; Атертон, Пи Джей (5 июня 2016 г.). «Обзор технических соображений применения вестерн-блоттинга в физиологических исследованиях» . Скандинавский журнал медицины и науки в спорте . 27 (1): 4–25. дои : 10.1111/sms.12702 . ISSN 1600-0838 . ПМК 5138151 . ПМИД 27263489 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]