Enzymy, které drží světový rekord

Link na článek v angličtině: World record enzymes

Autor: Jonathan Sarfati

V originále vydáno: World record enzymes, srpen 2005

Zvýšení rychlosti o 10¹⁸

Obrázek: Dekarboxylace orotidin 5΄-monofosfátu (OMP) na uridin 5΄-fosfát (UMP), základní prekurzor RNA a DNA, enzymem 5΄-monofosfát dekarboxylázou.

Odborník na enzymy Dr. Richard Wolfenden z Univerzity v Severní Karolíně v roce 1998 ukázal, že reakce „naprosto zásadní“ pro vytvoření stavebních kamenů DNA a RNA by ve vodě trvala 78 milionů let“, ale enzym ji urychlil 10¹⁸krát.¹ Jednalo se o orotidin 5′-monofosfát dekarboxylázu, která je zodpovědná za de novo syntézu uridin 5′-fosfátu, základního prekurzoru RNA a DNA, dekarboxylací orotidin 5′-monofosfátu (OMP).²

Enzym má zvláštní tvar, TIM-barrel. Ten váže substrát na otevřeném konci soudku, zatímco pohyby proteinové smyčky substrát téměř zcela obklopují. Enzym má aminokyselinové zbytky na správných místech, aby mohl interagovat s funkčními skupinami na substrátu. Jeden lysin poskytuje kladný náboj pro interakci s rostoucím záporným nábojem při reakci substrátu a poskytuje proton, který nahrazuje karboxylátovou skupinu na C-6 produktu. Enzym je strukturován tak, že se vytvářejí vodíkové vazby a delokalizují záporný náboj v přechodném stavu, čímž se snižuje energie. Interakce mezi enzymem a fosforibosylovou skupinou ukotvují pyrimidin v aktivním místě, což pomáhá vysvětlit pozoruhodně velký podíl fosforibosylové skupiny na katalýze navzdory její vzdálenosti od místa dekarboxylace. Ještě další interakce udržují pyrimidin v aktivním místě, které rovněž významně přispívá ke katalýze, přestože je vzdáleno od místa dekarboxylace.

Zvýšení rychlosti o 10²¹

V roce 2003 Wolfenden zjistil, že jiný enzym překonal i toto obrovské zvýšení rychlosti. Fosfatáza, která katalyzuje hydrolýzu fosfátových dianiontů, zvětšila rychlost reakce tisíckrát více než dokonce tento předchozí enzym – 10²¹krát. To znamená, že fosfatáza umožňuje, aby reakce důležité pro buněčnou signalizaci a regulaci proběhly za setinu sekundy. Bez tohoto enzymu by tato zásadní reakce trvala bilion let – téměř stokrát více, než je předpokládané evoluční stáří vesmíru (asi 15 miliard let)!³

Důsledky

Wolfenden řekl,

„Bez katalyzátorů by neexistoval žádný život, od mikrobů po člověka. Člověk se až diví, jak mohl přírodní výběr fungovat tak, že vznikl protein, který se dostal na půdu jako primitivní katalyzátor tak mimořádně pomalé reakce.“

„Bez katalyzátorů by neexistoval žádný život, od mikrobů po člověka. Člověk se až diví, jak mohl přírodní výběr fungovat tak, že vznikl protein, který se dostal na půdu jako primitivní katalyzátor tak mimořádně pomalé reakce.“¹

Vlastně by to mělo nutit k zamyšlení nad závazkem víry v evoluci od bláta k vám přes zoologickou zahradu, tváří v tvář tak úžasně vyladěným enzymům nezbytným i pro ten nejjednodušší život! A přirozený výběr nemůže fungovat, dokud již existují živé organismy, které si předávají informaci kódující enzymy, takže nemůže vysvětlit vznik těchto enzymů.

Aktualizace: v roce 2008 byl Dr. Wolfenden spoluautorem článku o dalším enzymu,⁴ který urychluje jinou zásadní reakci, jež by trvala 2,3 miliardy let. Tato reakce je „nezbytná pro biosyntézu hemoglobinu a chlorofylu“ a je urychlena „ohromujícím způsobem, který se rovná rozdílu mezi průměrem bakteriální buňky a vzdáleností Země od Slunce.“ 5

Bez katalyzátorů by neexistoval žádný život, od mikrobů po člověka. Člověka napadne, jak mohl přírodní výběr fungovat tak, že vznikl protein, který se dostal na půdu jako primitivní katalyzátor tak mimořádně pomalé reakce.

Reference

1. Citováno v Lang, L.H., Without enzyme catalyst, slowest known biological reaction takes 1 trillion years, UNC School of Medicine, unc.edu, 5 May 2003.
2. Miller, B.G., Hassell, A.M., Wolfenden, R., Milburn, M.V. and Short, S.A., Anatomy of a proficient enzyme: The structure of orotidine 5′-monophosphate decarboxylase in the presence and absence of a potential transition state analog, Proceedings of the National Academy of Science 97(5):2011–2016, 29 February 2000.
3. Lad, C., Williams, N.H. and Wolfenden, R., The rate of hydrolysis of phosphomonoester dianions and the exceptional catalytic proficiencies of protein and inositol phosphatases, Proceedings of the National Academy of Science 100(10):5607–5610, 13 May 2003.
4. Lewis, C.A. and Wolfenden, R., Uroporphyrinogen decarboxylation as a benchmark for the catalytic proficiency of enzymes, Proceedings of the National Academy of Science 105(45):17328–17333, 11 November 2008 | doi: 10.1073/pnas.0809838105.
5. Without enzymes, biological reaction essential to life takes 2.3 billion years: UNC study, UNC School of Medicine, Biochemistry and Biophysics.