ข้อมูล

มีแนวคิดของ RMSD สำหรับสองโมเลกุลที่แตกต่างกันหรือไม่?


(น้อยที่สุด) Root Mean Square Deviation ใช้สำหรับเปรียบเทียบโครงสร้างที่แตกต่างกันของโมเลกุลเดียวกัน อย่างไรก็ตาม อาจมีผู้สนใจเปรียบเทียบโครงสร้างของโมเลกุลสองชนิดที่แตกต่างกัน เช่น โปรตีนสองชนิดที่มีความยาวกระดูกสันหลังต่างกัน มีวิธีใดในการเปรียบเทียบโครงสร้างโมเลกุลต่างๆ เช่น RMDS ทั่วไปหรือไม่?


PyMOL ("จัดตำแหน่งโมเลกุล 1 โมเลกุล 2" ส่งกลับโครงสร้างที่จัดตำแหน่งและ RMSD) TM-align (ส่งคืนโครงสร้างที่จัดตำแหน่งและ TM-score; tmalign.py เป็นโมดูลหลามสำหรับการรัน TM-align โดยใช้ PyMOL)


แนวทางการคำนวณเพื่อการทำนาย วิเคราะห์ และออกแบบโครงสร้างอาร์เอ็นเอ

โมเลกุลอาร์เอ็นเอเป็นส่วนประกอบสำคัญของเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางชีววิทยาพื้นฐานหลายอย่าง การทำความเข้าใจกลไกเบื้องหลังหน้าที่ต้องใช้ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างระดับอุดมศึกษาของอาร์เอ็นเอ แม้ว่าแนวทางการสร้างแบบจำลองสำหรับการศึกษาโครงสร้างอาร์เอ็นเอและไดนามิกส์จะล้าหลังความพยายามในการพับโปรตีน แต่ก็มีความคืบหน้าอย่างมากในช่วงสองปีที่ผ่านมา ในที่นี้ เราทบทวนความก้าวหน้าล่าสุดในอัลกอริธึมการพับ RNA การค้นพบโมทีฟระดับอุดมศึกษา RNA การประยุกต์ใช้แนวทางทฤษฎีกราฟกับโครงสร้างและหน้าที่ของอาร์เอ็นเอ และ ในซิลิโค การสร้างพูลลำดับ RNA สำหรับการออกแบบ aptamer ความก้าวหน้าในแต่ละด้านสามารถนำมารวมกันเพื่อส่งผลกระทบต่อปัญหามากมายในโครงสร้างและหน้าที่ของอาร์เอ็นเอ

ไฮไลท์

► เราทบทวนความก้าวหน้าล่าสุดในอัลกอริธึมการพับ RNA และการค้นพบบรรทัดฐานระดับอุดมศึกษา RNA ► รวมยังเป็นการประยุกต์ใช้แนวทางทฤษฎีกราฟกับโครงสร้างและหน้าที่ของอาร์เอ็นเอ และ ในซิลิโค การสร้างพูลลำดับ RNA สำหรับการออกแบบ aptamer ► เราหารือกันว่าความก้าวหน้าในแต่ละพื้นที่สามารถนำมารวมกันเพื่อส่งผลกระทบต่อปัญหามากมายในโครงสร้างและหน้าที่ของอาร์เอ็นเอได้อย่างไร


ทำไม Hsp90 ถึงน่าสนใจในการศึกษา?

โปรตีนช็อตด้วยความร้อน 90 kDa (Hsp90) เป็นโปรตีนพี่เลี้ยงที่รับผิดชอบในการกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของโปรตีนหลากหลายชนิดให้เป็นตัวอย่างรูปแบบการทำงานของลูกค้า Hsp90 ซึ่งรวมโปรตีนหลายร้อยชนิด รวมถึงตัวรับฮอร์โมนสเตียรอยด์นิวเคลียร์และโปรตีนไคเนส (ไข่มุก และ Prodromou 2006) กลไกที่ Hsp90 ทำหน้าที่แตกต่างกันไปตามไคลเอนต์ เช่นเดียวกับไซต์ที่ผูกกับไคลเอนต์ กระบวนการนั้นขึ้นอยู่กับการปรับเปลี่ยนหลังการแปลของ Hsp90 และเอกลักษณ์ของผู้ดูแลร่วมซึ่งผูกและควบคุมวงจรโครงสร้าง (Schopf และคณะ 2017).

เนื่องจากบทบาททางชีวเคมีที่สำคัญในฐานะโปรตีนพี่เลี้ยงที่เกี่ยวข้องกับการอำนวยความสะดวกในการพับโปรตีนของลูกค้าจำนวนมาก Hsp90 จึงเป็นเป้าหมายทางเภสัชกรรมที่น่าสนใจ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เนื่องจากการพับของโปรตีนเป็นคอขวดที่อาจเกิดขึ้นต่อการสืบพันธุ์และการเติบโตของเซลล์ การปิดกั้นการทำงานของ Hsp90 โดยใช้สารยับยั้งที่เกาะติดกับบริเวณที่มีผลผูกพัน ATP ของ NTD อย่างแน่นหนาอาจช่วยในการรักษามะเร็งได้ ตัวอย่างเช่น ยาปฏิชีวนะเจลดานามัยซินและยาที่คล้ายคลึงกันอยู่ภายใต้การตรวจสอบดังนี้ สารต้านเนื้องอกที่เป็นไปได้ (Stebbins และคณะ 1997, เฮอร์มาเน่ และคณะ 2019).

ในโครงสร้างที่จะตรวจสอบในระหว่างบทช่วยสอนนี้ แกนด์ของความกังวลคือ resorcinol ซึ่งเป็นกลุ่มสารประกอบทั่วไปที่มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับโดเมน Hsp90 N-terminal มีการลงทะเบียนในฐานข้อมูล PubChem ภายใต้รหัสผสม 135508238 (PubChem) ดังที่เห็นได้จากการดูโครงสร้าง PDB ส่วนรีซอร์ซินอลของโครงสร้างถูกฝังอยู่ในตำแหน่งการจับ ซึ่งจับโดยพันธะไฮโดรเจนกับเรซิดิวแอสพาเทต-93 โครงสร้างลิแกนด์ยังประกอบด้วยไตรอะโซลและวงแหวนฟลูออโรฟีนิลซึ่งอยู่ใกล้กับพื้นผิวของโปรตีนมากขึ้น

รูปที่ 1: โครงสร้างของ Hsp90 พร้อมลิแกนด์ที่ถูกผูกไว้ คลิกเพื่อดูใน NGL (ดอกกุหลาบ และคณะ 2018)


Galectins ในชีววิทยาเซลล์

การถอดรหัสโครงสร้างที่ซับซ้อนของลวดลายหวานที่จัดวางอย่างสวยงามบนพื้นผิวเซลล์ต่างๆ ต้องใช้ชีวโมเลกุลหลากหลายที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อโต้ตอบกับแต่ละมอยอิตี การทำความเข้าใจโครงสร้าง พลวัต และกลไกการจดจำของโปรตีนที่รับผิดชอบบทบาทนี้จึงมีความเกี่ยวข้องพื้นฐานเพื่อให้ได้รับความเข้าใจอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับกระบวนการทางชีววิทยาที่เกี่ยวข้องและพัฒนาวิธีการรักษาที่เป็นไปได้ Galectins เป็นหนึ่งในกลุ่มหลักของโปรตีนสำหรับจดจำคาร์โบไฮเดรต และในมนุษย์ พวกมันมีส่วนร่วมในกระบวนการทางสรีรวิทยาที่หลากหลาย ซึ่งส่วนใหญ่เชื่อมโยงโดยตรงกับภูมิคุ้มกันและโรค

Galectins เกิดขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ในฐานะนักแสดงใหม่ในการปรับกระบวนการทางสรีรวิทยา พวกมันมีส่วนเกี่ยวข้องในกิจกรรมทางชีววิทยามากมาย ตั้งแต่กระบวนการพัฒนาในระยะเริ่มต้นที่ใช้งานได้ โปรแกรมการสร้างหลอดเลือด การเคลื่อนตัวของเซลล์ และการควบคุมเซลล์ของระบบภูมิคุ้มกันไปจนถึงการแก้ปัญหาการอักเสบหรือการอักเสบ (Liu and Rabinovich, 2010 Di Lella et al., 2011 Thiemann และ Baum, 2016). Galectins มีส่วนเกี่ยวข้องอย่างมากในการรับรู้และการฆ่าเชื้อโรค และในการอำนวยความสะดวกในการเข้าของจุลินทรีย์ก่อโรคและปรสิตเข้าสู่โฮสต์ (Vasta, 2009 Yang et al., 2011 Baum et al., 2014 Lujan et al., 2018) ระหว่างการติดเชื้อ พวกมันเป็นตัวกลางที่ละเอียดอ่อนที่ถอดรหัสข้อมูลที่มี glycan เกี่ยวกับเซลล์ภูมิคุ้มกันของโฮสต์และโครงสร้างจุลินทรีย์ ดังนั้นจึงปรับเปลี่ยนความหลากหลายของเหตุการณ์การส่งสัญญาณที่นำไปสู่การเพิ่มจำนวนของเซลล์ การอยู่รอด เคมีบำบัด การค้ามนุษย์ การหลั่งไซโตไคน์ และเซลล์-เซลล์ การสื่อสาร.

นอกเซลล์ กาแล็กตินส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นตัวรับการรู้จำรูปแบบพื้นผิวเซลล์ที่ละลายน้ำได้ โดยวิธีการเหล่านี้ควบคุมการสื่อสารระหว่างเซลล์และเซลล์ (Arthur et al., 2015b) กิจกรรมของเลกตินของพวกมัน ซึ่งมุ่งตรงไปยัง β-กาแลคโตไซด์มอยอิตี อย่างใดอย่างหนึ่งควบคู่ไปกับดุลยภาพไดเมอไรเซชัน ในโครงสร้างโดเมนการจับคาร์โบไฮเดรตหลายตัวควบคู่ หรือกลยุทธ์โอลิโกเมอไรเซชันอื่นๆ ที่กระตุ้นการก่อตัวของโครงสร้างซูปราโมเลคิวลาร์ที่ซับซ้อนมาก มักอธิบายว่าเป็นตาข่าย ( Sacchettini et al., 2001). โดยสรุป กลไกการทำงานนอกเซลล์ของกาเลคตินนั้นขึ้นอยู่กับความจำเพาะในการจับคาร์โบไฮเดรตของพวกมัน เช่นเดียวกับความสามารถในการสร้างโครงตาข่ายซึ่งสัมพันธ์กันอย่างแน่นแฟ้นกับโครงสร้างของกาเลกติน


2 วิธีการ

2.1 การดึงข้อมูลและการสร้างแบบจำลองตัวแปร

เมื่อเร็วๆ นี้ มีรายงานสายพันธุ์ใหม่ของ SARS-CoV-2 ในอังกฤษ แอฟริกาใต้ และบราซิลซึ่งมีความเร็วในการส่งสูงและอ้างว่าเป็นโรคติดต่อได้มาก พบการกลายพันธุ์ที่คาดการณ์ไว้ในสายพันธุ์ใหม่ที่พบในโปรตีน Spike ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการจับไวรัสกับเซลล์เจ้าบ้าน การรักษาความสำคัญของโปรตีน Spike ในการติดเชื้อไวรัส เราได้ดึงข้อมูลลำดับกรดอะมิโนล่าสุดของ SARS-CoV-2 Spike protein จาก UniProt (Magrane, 2011 ) ซึ่งอยู่ภายใต้หมายเลขภาคยานุวัติ: P0DTC2 เพื่อระบุตำแหน่งที่แน่นอนของการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นใหม่ ในที่สุด รายงานโครงสร้างแบบ wild-type (6M0J) ของ SARS-CoV-2 (Lan et al., 2020 ) โปรตีน Spike ได้มาจากคลังข้อมูลโปรตีน (Rose et al., 2010 ) และใช้สำหรับการสร้างแบบจำลองตัวแปรโดยซอฟต์แวร์ Chimera (ก็อดดาร์ดและคณะ, 2005 ).

2.2 การเทียบท่าระหว่างโปรตีนกับโปรตีนและการหาค่าคงที่การแยกตัว (KNS)

อัลกอริธึมการเทียบท่าโปรตีนและโปรตีนที่ขับเคลื่อนด้วยความกำกวมสูง (HADDOCK) ซึ่งใช้ข้อมูลปฏิสัมพันธ์ทางชีวฟิสิกส์และชีวเคมี เช่น การกลายพันธุ์ การยับยั้งการโต้ตอบที่คลุมเครือ (AIRs) และการรบกวนการเปลี่ยนแปลงทางเคมีจากการทดลองการไทเทรต NMR ถูกนำมาใช้เพื่อดำเนินการกระบวนการเทียบท่าระหว่างโปรตีนกับโปรตีน (Dominguez และคณะ, 2546 ). ในการทำนายการเทียบท่า เราใช้อินเทอร์เฟซ Guru ซึ่งเป็นที่รู้จักว่าเป็นอินเทอร์เฟซที่แข็งแกร่งที่สุดระหว่างอินเทอร์เฟซทั้งสี่ที่เป็นของเซิร์ฟเวอร์ HADDOCK Guru interface ใช้คุณสมบัติประมาณ 500 อย่างสำหรับการเทียบท่าระหว่างโปรตีน–โปรตีน/DNA/RNA นอกจากนี้เพื่อให้เข้าใจถึง K . ที่น่าเชื่อถือNS (ค่าคงที่การแยกตัว) คำนวณโดยใช้การทำนายพลังงานของโปรตีน binDIng (PRODIGY) ซึ่งเป็นเซิร์ฟเวอร์ออนไลน์เพื่อคำนวณความสัมพันธ์ที่มีผลผูกพันและ KNS สำหรับสารเชิงซ้อนทางชีวภาพต่างๆ (Xue et al., 2016 ).

2.3 การจำลองพลวัตระดับโมเลกุลของสารเชิงซ้อนด้านบน

พฤติกรรมไดนามิกของประเภทไวด์ที่ซับซ้อน K417N-E484K-N501Y, K417T- E484K-N501Y, E484K, N501Y และ E484K-N501Y ได้รับการตรวจสอบโดยการจำลอง MD ที่ดำเนินการบน Amber20 (Salomon-Ferrer et al., 2013 ) โดยใช้สนามแรง FF14SB . การแก้ปัญหาระบบดำเนินการในกล่องเก็บน้ำ TIP3P และระบบถูกทำให้เป็นกลางโดยการเติมไอออนเคาน์เตอร์ (Price & Brooks, 2004 ) โปรโตคอลการลดพลังงานถูกใช้เพื่อกำจัดการปะทะที่ไม่ดีในระบบ อัลกอริธึมการลงที่ชันที่สุด (Meza, 2010 ) และอัลกอริธึมการไล่ระดับคอนจูเกตถูกใช้สำหรับ 6000 และ 3000 รอบ ตามลำดับ (Watowich et al., 1988 ) หลังจากให้ความร้อนสูงถึง 300 K ระบบได้รับการปรับสมดุลที่ความดันคงที่ 1 atm ด้วยการควบคุมที่อ่อนแอ จากนั้นจึงปรับสมดุลโดยไม่มีการยับยั้งชั่งใจใดๆ สุดท้าย ขั้นตอนการผลิตถูกรัน 100 ns ปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิตระยะยาวได้รับการบำบัดด้วยอัลกอริธึม Ewald แบบตาข่ายอนุภาค (Salomon-Ferrer et al., 2013 ) ด้วยระยะตัดที่ 10.0 Å อัลกอริทึม SHAKE ถูกใช้เพื่อรักษาพันธะโควาเลนต์ (Kräutler et al., 2001 ) ขั้นตอนการผลิตของการจำลอง MD ถูกดำเนินการบน PEMMD.CUDA และวิถีถูกประมวลผลโดยใช้แพ็คเกจ Amber20 CPPTRAJ (Roe & Cheatham, 2013 )

2.4 การคำนวณพลังงานฟรีที่ผูกมัด

ในการประมาณการคำนวณพลังงานการจับที่แท้จริงของชนิดไวด์ K417N-E484K-N501Y, K417T- E484K-N501Y, E484K, N501Y และ E484K-N501Y ได้ใช้วิธี MMGBSA วิธีนี้เป็นวิธีที่ดีที่สุดที่ใช้ในการศึกษาต่างๆ เพื่อประเมินพลังงานการจับที่แท้จริงของสารเชิงซ้อนทางชีววิทยาต่างๆ เช่น Spike protein–ligand, protein–protein และ protein–DNA/RNA (Ali et al., 2019 Khan et al., 2018 Khan et al., 2019 Khan et al., 2020a 2020b 2020c 2020d ). สคริปต์ MMGBSA.py (Hou et al., 2011 ) ถูกใช้เพื่อประเมินพลังงานที่ไม่มีการผูกมัดรวมของสารเชิงซ้อนลิแกนด์ด้านบน ค่าพลังงานแต่ละระยะ เช่น vdW, ไฟฟ้าสถิต, GB และ SA ถูกคำนวณโดยเป็นส่วนหนึ่งของพลังงานการจับทั้งหมด


กระบวนการอัลกอริทึมสนามพลังตัวทำละลาย
เดสมอนด์MDOPLS 2.1ชัดเจน
มาโครโมเดลLowMode MDOPLS05GB/SA
กระทรวงศึกษาธิการLowMode MDAMBER10SRF
ไพรม์การเก็บตัวอย่างแรงบิดOPLS05เครื่องดูดฝุ่น
โอเมก้าDGMMFF94เชฟฟิลด์
RDKit_DGDGMMFF94เครื่องดูดฝุ่น

วิธีที่ใช้ในการศึกษาสินธิกรใช้แบบอักษรปกติ โดยวิธีการที่เพิ่มในการศึกษานี้เป็นตัวเอียง


บทสรุป

“ชีวิต” เป็นแนวคิดที่มีสองแง่มุมที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง: วิวัฒนาการของดาร์วินและการดำรงชีวิตด้วยตนเอง ความพยายามที่จะนิยาม "ชีวิต" ควรอธิบายทั้งสองแง่มุมแยกจากกัน เนื่องจากบางสำนวนเช่น "รูปแบบชีวิตคือรูปแบบสสารที่สามารถผ่านวิวัฒนาการของดาร์วินได้ สิ่งมีชีวิตเป็นระบบเคมีที่ดำรงชีวิตอยู่ได้เองตามธรรมชาติ ซึ่งเป็นผลมาจาก วิวัฒนาการของดาร์วินและอาจมีส่วนร่วมในวิวัฒนาการของดาร์วินต่อไป” อีกทางหนึ่ง เนื่องจาก "การพึ่งพาตนเอง" นั้นมีความรู้สึกพร่ามัวและมาจากวิวัฒนาการของดาร์วินในธรรมชาติ หนึ่งที่ดำเนินตามคำจำกัดความที่ชัดเจนและรัดกุม อาจจะพอใจกับคำกล่าวที่เน้นย้ำวิวัฒนาการของดาร์วินเท่านั้น เช่น: “ชีวิตคือ แบบที่สามารถวิวัฒนาการของดาร์วินได้”

เกี่ยวกับการนำไปใช้ในธรรมชาติ ชีวิตดูเหมือนจะเป็นปาฏิหาริย์ เนื่องจากมีกลไกทางเคมีมหัศจรรย์สามอย่าง (เพื่อให้เข้าใจถึงสองแง่มุมของมัน): การจำลองแบบของพอลิเมอร์ที่มีลักษณะคล้าย DNA/RNA โดยการจับคู่สารตกค้าง การพับตามลำดับของ RNA/โปรตีน โพลีเมอร์ที่มีลักษณะคล้ายฟอสโฟลิปิดทำให้เกิดหน้าที่พิเศษ และการรวมตัวของแอมฟิฟิลิสคล้ายฟอสโฟลิปิดทำให้เกิดถุงน้ำ

รูปแบบชีวิตของสิ่งมีชีวิตสามารถกำหนดได้ในแง่ของข้อมูล กล่าวคือ ข้อมูลทางพันธุกรรมของการคัดเลือกโดยธรรมชาติเป็นกุญแจสำคัญในการก่อให้เกิดข้อมูลดังกล่าว ซึ่งสะสมมาหลายชั่วอายุคน

การแยกแยะสาระสำคัญของชีวิตจะช่วยปรับปรุงความรู้ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับระเบียบวินัยทั้งหมดทางชีววิทยา "เจาะลึก" "ความสำเร็จ" ของมันในทุกวันนี้ โดยทั่วไปแล้ว อาจส่งเสริมความเข้าใจพื้นฐานของเราเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติต่อไป โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อาจส่งผลกระทบโดยตรงต่อสาขาต่างๆ เช่น ต้นกำเนิดของชีวิต ชีวิตเทียม และโหราศาสตร์


4.1 พลังงานและการเผาผลาญ

นักวิทยาศาสตร์ใช้คำว่าพลังงานชีวภาพเพื่ออธิบายแนวคิดของการไหลของพลังงาน (รูปที่ 4.2) ผ่านระบบสิ่งมีชีวิต เช่น เซลล์ กระบวนการของเซลลูล่าร์ เช่น การสร้างและการสลายตัวของโมเลกุลที่ซับซ้อน เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเคมีแบบเป็นขั้นเป็นตอน ปฏิกิริยาเคมีเหล่านี้บางส่วนเกิดขึ้นเองและปล่อยพลังงาน ในขณะที่ปฏิกิริยาอื่นๆ ต้องการพลังงานเพื่อดำเนินการต่อ เช่นเดียวกับที่สิ่งมีชีวิตต้องบริโภคอาหารอย่างต่อเนื่องเพื่อเติมเต็มแหล่งพลังงาน เซลล์จะต้องได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเพื่อเติมเต็มซึ่งใช้โดยปฏิกิริยาเคมีที่ต้องใช้พลังงานจำนวนมากที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ร่วมกัน ปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ รวมถึงปฏิกิริยาที่กินหรือสร้างพลังงานจะเรียกว่าเมแทบอลิซึมของเซลล์

เส้นทางการเผาผลาญ

พิจารณาการเผาผลาญน้ำตาล. นี่เป็นตัวอย่างคลาสสิกของกระบวนการระดับเซลล์จำนวนมากที่ใช้และผลิตพลังงาน สิ่งมีชีวิตกินน้ำตาลเป็นแหล่งพลังงานหลัก เนื่องจากโมเลกุลของน้ำตาลมีพลังงานสะสมอยู่ภายในพันธะอย่างมาก ส่วนใหญ่สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงเช่นพืชจะผลิตน้ำตาลเหล่านี้ ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง พืชจะใช้พลังงาน (มีพื้นเพมาจากแสงแดด) เพื่อเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO .)2) เป็นโมเลกุลน้ำตาล (เช่น กลูโคส: C6ชม12อู๋6). พวกมันกินคาร์บอนไดออกไซด์และผลิตออกซิเจนเป็นของเสีย ปฏิกิริยานี้สรุปได้ดังนี้:

เนื่องจากกระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โมเลกุลที่เก็บพลังงาน จึงต้องมีการป้อนพลังงานเพื่อดำเนินการต่อ ในระหว่างปฏิกิริยาแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง พลังงานจะได้รับจากโมเลกุลที่เรียกว่าอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเป็นสกุลเงินพลังงานหลักของทุกเซลล์ เช่นเดียวกับที่เงินดอลลาร์ถูกใช้เป็นสกุลเงินเพื่อซื้อสินค้า เซลล์ใช้โมเลกุลของ ATP เป็นสกุลเงินพลังงานเพื่อทำงานทันที ในทางตรงกันข้าม โมเลกุลที่กักเก็บพลังงาน เช่น กลูโคส จะถูกใช้ไปเพียงเพื่อถูกย่อยสลายเพื่อใช้พลังงานเท่านั้น ปฏิกิริยาที่เก็บเกี่ยวพลังงานของโมเลกุลน้ำตาลในเซลล์ที่ต้องการออกซิเจนเพื่อความอยู่รอดสามารถสรุปได้ด้วยปฏิกิริยาย้อนกลับต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง ในปฏิกิริยานี้ ออกซิเจนจะถูกใช้และปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์เป็นของเสีย สรุปปฏิกิริยาได้ดังนี้

ปฏิกิริยาทั้งสองนี้มีหลายขั้นตอน

กระบวนการสร้างและสลายโมเลกุลน้ำตาลแสดงให้เห็นสองตัวอย่างของวิถีเมแทบอลิซึม วิถีเมแทบอลิซึมคือชุดของปฏิกิริยาเคมีที่ใช้โมเลกุลตั้งต้นและแก้ไขมัน ทีละขั้นตอน ผ่านชุดของตัวกลางเมแทบอลิซึม ในที่สุดก็ได้ผลผลิตสุดท้าย ในตัวอย่างเมแทบอลิซึมของน้ำตาล เส้นทางเมแทบอลิซึมแรกสังเคราะห์น้ำตาลจากโมเลกุลที่เล็กกว่า และอีกวิถีทางหนึ่งแบ่งน้ำตาลออกเป็นโมเลกุลที่เล็กกว่า กระบวนการที่ตรงกันข้ามทั้งสองนี้—กระบวนการแรกที่ต้องการพลังงานและพลังงานการผลิตที่สอง—เรียกว่าวิถีทาง anabolic (การสร้างพอลิเมอร์) และวิถีทางแคแทบอลิซึม (สลายพอลิเมอร์ให้เป็นโมโนเมอร์) ตามลำดับ ดังนั้น เมแทบอลิซึมประกอบด้วยการสังเคราะห์ (แอแนบอลิซึม) และการย่อยสลาย (แคแทบอลิซึม) (รูปที่ 4.3)

สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่าปฏิกิริยาเคมีของวิถีเมแทบอลิซึมไม่ได้เกิดขึ้นเอง แต่ละขั้นตอนของปฏิกิริยาได้รับการอำนวยความสะดวกหรือเร่งปฏิกิริยาโดยโปรตีนที่เรียกว่าเอนไซม์ เอ็นไซม์มีความสำคัญต่อการกระตุ้นปฏิกิริยาทางชีวภาพทุกประเภท ซึ่งต้องการพลังงานและปฏิกิริยาที่ปลดปล่อยพลังงาน

พลังงาน

อุณหพลศาสตร์หมายถึงการศึกษาพลังงานและการถ่ายโอนพลังงานที่เกี่ยวข้องกับสสารทางกายภาพ เรื่องที่เกี่ยวข้องกับกรณีเฉพาะของการถ่ายโอนพลังงานเรียกว่าระบบ และทุกสิ่งที่อยู่นอกเรื่องนั้นเรียกว่าสภาพแวดล้อม ตัวอย่างเช่น เมื่อให้น้ำร้อนหม้อน้ำบนเตา ระบบจะรวมถึงเตา หม้อ และน้ำ พลังงานจะถูกถ่ายเทภายในระบบ (ระหว่างเตา หม้อ และน้ำ) ระบบมีสองประเภท: เปิดและปิด ในระบบเปิด พลังงานสามารถแลกเปลี่ยนกับสภาพแวดล้อมได้ ระบบเตาตั้งพื้นเปิดอยู่เพราะความร้อนจะสูญเสียไปในอากาศ ระบบปิดไม่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานกับสภาพแวดล้อมได้

สิ่งมีชีวิตทางชีวภาพเป็นระบบเปิด พลังงานจะถูกแลกเปลี่ยนระหว่างพวกมันกับสิ่งรอบข้างในขณะที่พวกมันใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์เพื่อทำการสังเคราะห์แสงหรือกินโมเลกุลที่เก็บพลังงานและปล่อยพลังงานสู่สิ่งแวดล้อมโดยการทำงานและปล่อยความร้อน เช่นเดียวกับทุกสิ่งในโลกทางกายภาพ พลังงานอยู่ภายใต้กฎทางกายภาพ กฎของอุณหพลศาสตร์ควบคุมการถ่ายโอนพลังงานในและระหว่างระบบทั้งหมดในจักรวาล

โดยทั่วไป พลังงานหมายถึงความสามารถในการทำงาน หรือเพื่อสร้างการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง พลังงานมีอยู่ในรูปแบบต่างๆ ตัวอย่างเช่น พลังงานไฟฟ้า พลังงานแสง และพลังงานความร้อนล้วนเป็นพลังงานประเภทต่างๆ เพื่อชื่นชมวิธีที่พลังงานไหลเข้าและออกจากระบบชีวภาพ จำเป็นต้องเข้าใจกฎทางกายภาพสองข้อที่ควบคุมพลังงาน

อุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าปริมาณพลังงานทั้งหมดในเอกภพมีค่าคงที่และถูกอนุรักษ์ไว้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือมีปริมาณพลังงานเท่ากันในจักรวาลเสมอมาและจะเป็นตลอดไป พลังงานมีอยู่หลายรูปแบบ ตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ พลังงานอาจถูกถ่ายโอนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งหรือเปลี่ยนเป็นรูปแบบต่างๆ แต่ไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ การถ่ายโอนและการเปลี่ยนแปลงของพลังงานเกิดขึ้นรอบตัวเราตลอดเวลา หลอดไฟเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสงและความร้อน เตาแก๊สเปลี่ยนพลังงานเคมีจากก๊าซธรรมชาติเป็นพลังงานความร้อน พืชทำการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่มีประโยชน์ทางชีวภาพมากที่สุดในโลก นั่นคือการแปลงพลังงานของแสงแดดเป็นพลังงานเคมีที่เก็บไว้ในโมเลกุลอินทรีย์ (รูปที่ 4.2) ตัวอย่างบางส่วนของการแปลงพลังงานแสดงไว้ในรูปที่ 4.4

ความท้าทายสำหรับสิ่งมีชีวิตทั้งหมดคือการได้รับพลังงานจากสภาพแวดล้อมในรูปแบบที่สามารถถ่ายโอนหรือเปลี่ยนเป็นพลังงานที่ใช้งานได้ เซลล์ที่มีชีวิตพัฒนาขึ้นเพื่อตอบสนองความท้าทายนี้ พลังงานเคมีที่เก็บไว้ในโมเลกุลอินทรีย์ เช่น น้ำตาลและไขมัน จะถูกถ่ายโอนและเปลี่ยนผ่านปฏิกิริยาเคมีระดับเซลล์เป็นพลังงานภายในโมเลกุลของ ATP พลังงานในโมเลกุล ATP สามารถเข้าถึงได้ง่ายในการทำงาน ตัวอย่างประเภทของงานที่เซลล์ต้องทำ ได้แก่ การสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อน การลำเลียงวัสดุ การกระตุ้นการเคลื่อนไหวของ cilia หรือ flagella และการหดตัวของเส้นใยกล้ามเนื้อเพื่อสร้างการเคลื่อนไหว

งานหลักของเซลล์ที่มีชีวิตในการได้มา เปลี่ยนแปลง และใช้พลังงานในการทำงานอาจดูเรียบง่าย อย่างไรก็ตาม กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์อธิบายว่าทำไมงานเหล่านี้จึงยากกว่าที่ปรากฏ การถ่ายโอนและการแปลงพลังงานทั้งหมดไม่เคยมีประสิทธิภาพอย่างสมบูรณ์ ในทุกการถ่ายโอนพลังงาน พลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปในรูปแบบที่ใช้ไม่ได้ ในกรณีส่วนใหญ่ รูปแบบนี้เป็นพลังงานความร้อน ในทางอุณหพลศาสตร์ พลังงานความร้อนหมายถึงพลังงานที่ถ่ายโอนจากระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่งที่ไม่ทำงาน ตัวอย่างเช่น เมื่อเปิดหลอดไฟ พลังงานบางส่วนที่ถูกแปลงจากพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสงจะสูญเสียไปเป็นพลังงานความร้อน ในทำนองเดียวกัน พลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปในรูปของพลังงานความร้อนระหว่างปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมของเซลล์

แนวคิดที่สำคัญในระบบทางกายภาพคือความเป็นระเบียบเรียบร้อย ยิ่งระบบสูญเสียพลังงานไปรอบ ๆ มากเท่าไร ระบบก็จะยิ่งมีระเบียบน้อยลงและสุ่มมากขึ้นเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์อ้างถึงการวัดความสุ่มหรือความผิดปกติภายในระบบว่าเป็นเอนโทรปี เอนโทรปีสูงหมายถึงความผิดปกติสูงและพลังงานต่ำ โมเลกุลและปฏิกิริยาเคมีก็มีเอนโทรปีที่แตกต่างกันเช่นกัน ตัวอย่างเช่น เอนโทรปีเพิ่มขึ้นเมื่อโมเลกุลที่มีความเข้มข้นสูงในที่เดียวกระจายและกระจายออกไป กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์กล่าวว่าพลังงานจะสูญเสียไปเสมอเมื่อความร้อนในการถ่ายเทหรือการเปลี่ยนแปลงพลังงาน

สิ่งมีชีวิตได้รับการจัดการอย่างสูง ต้องการพลังงานที่ป้อนเข้าอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มีสภาวะเอนโทรปีต่ำ

ศักยภาพและพลังงานจลน์

เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ จะมีพลังงานที่เกี่ยวข้องกับวัตถุนั้น คิดถึงลูกบอลที่ทำลายล้าง แม้แต่ลูกบอลทำลายล้างที่เคลื่อนที่ช้าก็สามารถสร้างความเสียหายให้กับวัตถุอื่นๆ ได้อย่างมาก พลังงานที่เกี่ยวข้องกับวัตถุที่เคลื่อนที่เรียกว่าพลังงานจลน์ (รูปที่ 4.5) กระสุนความเร็ว คนเดิน และการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วของโมเลกุลในอากาศ (ซึ่งก่อให้เกิดความร้อน) ล้วนมีพลังงานจลน์

ทีนี้จะเกิดอะไรขึ้นถ้าลูกบอลที่ทำลายนิ่งตัวเดียวกันนั้นถูกยกขึ้นเหนือพื้นดินสองชั้นด้วยปั้นจั่น? หากลูกบอลทำลายที่แขวนอยู่ไม่เคลื่อนที่ จะมีพลังงานเกี่ยวข้องหรือไม่? คำตอบคือใช่ พลังงานที่จำเป็นในการยกลูกบอลทำลายล้างไม่ได้หายไป แต่ตอนนี้ถูกเก็บไว้ในลูกบอลทำลายโดยอาศัยตำแหน่งและแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมัน พลังงานประเภทนี้เรียกว่าพลังงานศักย์ (รูปที่ 4.5) หากลูกบอลตกลงมา พลังงานศักย์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์จนกว่าพลังงานศักย์ทั้งหมดจะหมดลงเมื่อลูกบอลตกลงบนพื้น ลูกบอลทำลายยังแกว่งเหมือนลูกตุ้มผ่านการแกว่ง โดยมีการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์ (สูงสุดที่ด้านบนของวงสวิง) เป็นพลังงานจลน์ (สูงสุดที่ด้านล่างของวงสวิง) ตัวอย่างอื่นๆ ของพลังงานศักย์ ได้แก่ พลังงานของน้ำที่กักไว้หลังเขื่อนหรือบุคคลที่กำลังจะกระโดดร่มออกจากเครื่องบิน

พลังงานศักย์ไม่เพียงเกี่ยวข้องกับตำแหน่งของสสารเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโครงสร้างของสสารด้วย แม้แต่สปริงบนพื้นก็ยังมีพลังงานศักย์อยู่หากมันถูกบีบอัด ยางรัดที่ดึงตึงก็เช่นกัน ในระดับโมเลกุล พันธะที่ยึดอะตอมของโมเลกุลไว้ด้วยกันมีอยู่ในโครงสร้างเฉพาะที่มีพลังงานศักย์ โปรดจำไว้ว่าวิถีทางเซลล์ anabolic ต้องใช้พลังงานในการสังเคราะห์โมเลกุลที่ซับซ้อนจากโมเลกุลที่ง่ายกว่าและเส้นทาง catabolic จะปล่อยพลังงานเมื่อโมเลกุลที่ซับซ้อนถูกทำลายลง ความจริงที่ว่าพลังงานสามารถถูกปล่อยออกมาได้จากการสลายพันธะเคมีบางตัว แสดงว่าพันธะเหล่านั้นมีพลังงานศักย์ อันที่จริง มีพลังงานศักย์ที่สะสมอยู่ภายในพันธะของโมเลกุลอาหารทั้งหมดที่เรากิน ซึ่งในที่สุดก็ถูกควบคุมเพื่อใช้งาน เนื่องจากพันธะเหล่านี้สามารถปลดปล่อยพลังงานเมื่อแตกออก ประเภทของพลังงานศักย์ที่มีอยู่ในพันธะเคมี และถูกปลดปล่อยออกมาเมื่อพันธะเหล่านั้นถูกทำลาย เรียกว่าพลังงานเคมี พลังงานเคมีมีหน้าที่ในการให้พลังงานแก่เซลล์ที่มีชีวิตจากอาหาร การปลดปล่อยพลังงานเกิดขึ้นเมื่อพันธะโมเลกุลภายในโมเลกุลของอาหารถูกทำลาย

แนวคิดในการดำเนินการ

เยี่ยมชมไซต์และเลือก "ลูกตุ้ม" จากเมนู "งานและพลังงาน" เพื่อดูการเปลี่ยนแปลงจลนศาสตร์และพลังงานศักย์ของลูกตุ้มที่กำลังเคลื่อนที่

ฟรีและการเปิดใช้งานพลังงาน

หลังจากเรียนรู้ว่าปฏิกิริยาเคมีปล่อยพลังงานเมื่อพันธะที่เก็บพลังงานถูกทำลาย คำถามต่อไปที่สำคัญมีดังนี้: พลังงานที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีเหล่านี้มีปริมาณและแสดงออกอย่างไร พลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาหนึ่งสามารถเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาอื่นได้อย่างไร? การวัดพลังงานอิสระจะใช้ในการวัดปริมาณการถ่ายโอนพลังงานเหล่านี้ โปรดจำไว้ว่าตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ การถ่ายเทพลังงานทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการสูญเสียพลังงานบางส่วนในรูปแบบที่ไม่สามารถใช้งานได้ เช่น ความร้อน พลังงานอิสระหมายถึงพลังงานที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีที่มีอยู่หลังจากการสูญเสียที่เกิดขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง พลังงานฟรีคือพลังงานที่ใช้งานได้ หรือพลังงานที่พร้อมใช้งาน

หากพลังงานถูกปลดปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยาเคมี การเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระที่แสดงเป็น ∆G (เดลต้า G) จะเป็นจำนวนลบ การเปลี่ยนแปลงด้านลบของพลังงานอิสระยังหมายความว่าผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยามีพลังงานอิสระน้อยกว่าสารตั้งต้น เพราะพวกมันจะปล่อยพลังงานอิสระบางส่วนออกมาระหว่างการทำปฏิกิริยา ปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระในทางลบและปล่อยพลังงานอิสระออกมาเป็นลบ เรียกว่าปฏิกิริยาออกแรง คิด: อดีตergonic หมายถึง พลังงานคือ อดีตกำลังใช้งานระบบ ปฏิกิริยาเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองและผลิตภัณฑ์ของพวกมันมีพลังงานสะสมน้อยกว่าตัวทำปฏิกิริยา ต้องแยกความแตกต่างที่สำคัญระหว่างคำว่าที่เกิดขึ้นเองและแนวคิดของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นทันที ตรงกันข้ามกับการใช้คำศัพท์ในชีวิตประจำวัน ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองไม่ได้เกิดขึ้นทันทีหรือเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว การเกิดสนิมของเหล็กเป็นตัวอย่างของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองอย่างช้าๆ ทีละน้อย เมื่อเวลาผ่านไป

หากปฏิกิริยาเคมีดูดซับพลังงานแทนที่จะปล่อยพลังงานออกมาอย่างสมดุล ∆G สำหรับปฏิกิริยานั้นจะเป็นค่าบวก ในกรณีนี้ ผลิตภัณฑ์มีพลังงานอิสระมากกว่าสารตั้งต้น ดังนั้น ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาเหล่านี้จึงถือได้ว่าเป็นโมเลกุลที่กักเก็บพลังงาน ปฏิกิริยาเคมีเหล่านี้เรียกว่าปฏิกิริยาเอนเดอร์โกนิกและไม่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ปฏิกิริยา endergonic จะไม่เกิดขึ้นเองโดยปราศจากการเพิ่มพลังงานอิสระ

การเชื่อมต่อภาพ

ดูแต่ละกระบวนการที่แสดงและตัดสินใจว่ามันเป็นเอนเดอร์โกนิกหรือเอ็กเซอร์โกนิก

มีแนวคิดสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องพิจารณาเกี่ยวกับปฏิกิริยาเอนเดอร์โกนิกและปฏิกิริยาเอ็กเซอร์โกนิก ปฏิกิริยา Exergonic ต้องใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยเพื่อไปต่อ ก่อนจึงจะสามารถดำเนินการตามขั้นตอนการปลดปล่อยพลังงานได้ ปฏิกิริยาเหล่านี้มีการปลดปล่อยพลังงานออกมา แต่ก็ยังต้องการพลังงานบางส่วนในการเริ่มต้น พลังงานจำนวนเล็กน้อยที่ป้อนเข้าซึ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดจะเกิดขึ้นเรียกว่าพลังงานกระตุ้น

แนวคิดในการดำเนินการ

ดูภาพเคลื่อนไหวของการเคลื่อนไหวจากพลังงานอิสระไปสู่สถานะการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยา

เอนไซม์

สารที่ช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา และโมเลกุลที่กระตุ้นปฏิกิริยาทางชีวเคมีจะเรียกว่าเอนไซม์ เอนไซม์ส่วนใหญ่เป็นโปรตีนและทำหน้าที่สำคัญในการลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ ปฏิกิริยาส่วนใหญ่ที่สำคัญต่อเซลล์ที่มีชีวิตเกิดขึ้นช้าเกินไปที่อุณหภูมิปกติที่จะเป็นประโยชน์ต่อเซลล์ หากปราศจากเอ็นไซม์เพื่อเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ ชีวิตก็ไม่สามารถคงอยู่ได้ เอ็นไซม์ทำเช่นนี้โดยจับกับโมเลกุลของสารตั้งต้นและจับตัวมันไว้ในลักษณะที่จะทำให้กระบวนการทำลายพันธะเคมีและการก่อตัวเกิดขึ้นได้ง่ายขึ้น สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าเอ็นไซม์ไม่เปลี่ยนแปลงไม่ว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเอง (เกิดขึ้นเอง) หรือเอนเดอร์โกนิก เนื่องจากไม่เปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ พวกมันลดพลังงานกระตุ้นที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่านั้น (รูปที่ 4.7) นอกจากนี้ เอ็นไซม์เองก็ไม่เปลี่ยนแปลงโดยปฏิกิริยาที่มันกระตุ้น เมื่อปฏิกิริยาหนึ่งได้รับการเร่งปฏิกิริยาแล้ว เอนไซม์ก็สามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาอื่นๆ ได้

สารตั้งต้นทางเคมีที่เอนไซม์จับเรียกว่าสารตั้งต้นของเอนไซม์ อาจมีสารตั้งต้นตั้งแต่หนึ่งชนิดขึ้นไป ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาเคมีเฉพาะ ในบางปฏิกิริยา ซับสเตรตของสารตั้งต้นตัวเดียวจะแตกออกเป็นหลายผลิตภัณฑ์ ในอีกกรณีหนึ่ง สารตั้งต้นสองชนิดอาจมารวมกันเพื่อสร้างโมเลกุลที่ใหญ่กว่าหนึ่งโมเลกุล สารตั้งต้นสองตัวอาจเข้าสู่ปฏิกิริยาและทั้งคู่ก็ถูกดัดแปลง แต่พวกมันปล่อยให้ปฏิกิริยาเป็นผลิตภัณฑ์สองตัว ตำแหน่งภายในเอนไซม์ที่ซับสเตรตจับเรียกว่าแอคทีฟไซต์ของเอนไซม์ ไซต์ที่ใช้งานอยู่คือที่ที่ "การกระทำ" เกิดขึ้น เนื่องจากเอ็นไซม์เป็นโปรตีน จึงมีการผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของสายโซ่ด้านกรดอะมิโนภายในแอคทีฟไซต์ ห่วงโซ่ด้านข้างแต่ละอันมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน พวกมันสามารถมีขนาดใหญ่หรือเล็ก เป็นกรดหรือด่างเล็กน้อย ชอบน้ำหรือไม่ชอบน้ำ มีประจุบวกหรือลบ หรือเป็นกลาง การผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของโซ่ด้านข้างทำให้เกิดสภาพแวดล้อมทางเคมีที่เฉพาะเจาะจงมากภายในบริเวณที่ทำงาน สภาพแวดล้อมเฉพาะนี้เหมาะสำหรับการจับกับสารตั้งต้นทางเคมี (หรือพื้นผิว) ที่เฉพาะเจาะจง

ไซต์ที่ใช้งานอยู่จะขึ้นอยู่กับอิทธิพลของสภาพแวดล้อมในท้องถิ่น การเพิ่มอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมโดยทั่วไปจะเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์หรืออย่างอื่น อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่อยู่นอกช่วงที่เหมาะสมจะลดอัตราที่เอนไซม์เร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิที่ร้อนที่สุดจะทำให้เอ็นไซม์เสียสภาพในที่สุด การเปลี่ยนแปลงรูปร่างสามมิติที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ และด้วยเหตุนี้การทำงานของเอ็นไซม์ เอ็นไซม์ยังเหมาะที่จะทำงานได้ดีที่สุดภายในค่า pH และช่วงความเข้มข้นของเกลือ และเช่นเดียวกับอุณหภูมิ ค่า pH ที่สูงเกินไป และความเข้มข้นของเกลืออาจทำให้เอ็นไซม์เสื่อมสภาพได้

เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าการจับกันระหว่างสารตั้งต้นของเอนไซม์เกิดขึ้นในลักษณะ "ล็อคและกุญแจ" แบบง่ายๆ โมเดลนี้ยืนยันว่าเอ็นไซม์และซับสเตรตเข้ากันอย่างลงตัวในขั้นตอนเดียว อย่างไรก็ตาม การวิจัยในปัจจุบันสนับสนุนแบบจำลองที่เรียกว่าความพอดี (รูปที่ 4.8) โมเดลแบบเหนี่ยวนำให้พอดีจะขยายบนโมเดลแบบล็อกและคีย์โดยอธิบายการยึดเกาะแบบไดนามิกมากขึ้นระหว่างเอนไซม์และซับสเตรต เมื่อเอ็นไซม์และซับสเตรตมารวมกัน อันตรกิริยาของพวกมันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในโครงสร้างของเอ็นไซม์ซึ่งก่อให้เกิดการจัดเรียงตัวที่เหมาะเจาะระหว่างเอ็นไซม์และซับสเตรต

แนวคิดในการดำเนินการ

เมื่อเอ็นไซม์จับซับสเตรต คอมเพล็กซ์ของเอ็นไซม์-ซับสเตรตจะก่อตัวขึ้น คอมเพล็กซ์นี้ช่วยลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาและส่งเสริมความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งที่เป็นไปได้ ในระดับพื้นฐาน เอ็นไซม์ส่งเสริมปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับสารตั้งต้นมากกว่าหนึ่งชนิดโดยนำสารตั้งต้นมารวมกันในแนวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับปฏิกิริยา อีกวิธีหนึ่งที่เอ็นไซม์ส่งเสริมปฏิกิริยาของซับสเตรตของพวกมันคือโดยการสร้างสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมภายในบริเวณที่ทำงานเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้น คุณสมบัติทางเคมีที่เกิดขึ้นจากการจัดเรียงเฉพาะของกลุ่ม R ของกรดอะมิโนภายในสถานที่ทำงานสร้างสภาพแวดล้อมที่สมบูรณ์แบบสำหรับซับสเตรตจำเพาะของเอนไซม์เพื่อทำปฏิกิริยา

สารตั้งต้นของเอนไซม์-สารตั้งต้นสามารถลดพลังงานกระตุ้นได้โดยการประนีประนอมโครงสร้างพันธะเพื่อให้แตกได้ง่ายขึ้น ในที่สุด เอนไซม์ยังสามารถลดพลังงานกระตุ้นโดยมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีเอง ในกรณีเหล่านี้ สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าเอนไซม์จะกลับสู่สภาพเดิมเสมอเมื่อปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์ คุณสมบัติเด่นประการหนึ่งของเอนไซม์คือ ท้ายที่สุดแล้วพวกมันยังคงไม่เปลี่ยนแปลงโดยปฏิกิริยาที่กระตุ้น หลังจากที่เอนไซม์เร่งปฏิกิริยาแล้ว มันจะปล่อยผลิตภัณฑ์ออกมาและสามารถเร่งปฏิกิริยาใหม่ได้

ดูเหมือนว่าจะเหมาะที่จะมีสถานการณ์สมมติที่เอ็นไซม์ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีอยู่ในปริมาณมากและทำงานอย่างเหมาะสมภายใต้สภาวะของเซลล์ในทุกเซลล์ตลอดเวลา อย่างไรก็ตาม กลไกที่หลากหลายทำให้แน่ใจได้ว่าสิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น ความต้องการและเงื่อนไขของเซลลูล่าร์แตกต่างกันไปในแต่ละเซลล์ และเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์แต่ละเซลล์เมื่อเวลาผ่านไป เอ็นไซม์ที่จำเป็นของเซลล์กระเพาะอาหารแตกต่างจากเซลล์เก็บไขมัน เซลล์ผิวหนัง เซลล์เม็ดเลือด และเซลล์ประสาท นอกจากนี้ เซลล์อวัยวะย่อยอาหารจะทำงานหนักขึ้นมากในการประมวลผลและสลายสารอาหารในช่วงเวลาที่ติดตามมื้ออาหารอย่างใกล้ชิด เมื่อเทียบกับหลายชั่วโมงหลังอาหาร เนื่องจากความต้องการและเงื่อนไขของเซลล์เหล่านี้แตกต่างกันไป ปริมาณและการทำงานของเอนไซม์ต่างๆ จึงต้องแตกต่างกัน

เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาทางชีวเคมีถูกควบคุมโดยพลังงานกระตุ้น และเอ็นไซม์ลดค่าและกำหนดพลังงานกระตุ้นสำหรับปฏิกิริยาเคมี ปริมาณสัมพัทธ์และการทำงานของเอ็นไซม์ต่างๆ ภายในเซลล์ในท้ายที่สุดจะเป็นตัวกำหนดว่าปฏิกิริยาใดจะเกิดขึ้นและอัตราใด การกำหนดนี้ถูกควบคุมอย่างแน่นหนาในเซลล์ ในสภาพแวดล้อมของเซลล์บางอย่าง กิจกรรมของเอนไซม์จะถูกควบคุมบางส่วนโดยปัจจัยทางสิ่งแวดล้อม เช่น ค่า pH อุณหภูมิ ความเข้มข้นของเกลือ และในบางกรณี โคแฟคเตอร์หรือโคเอ็นไซม์

เอ็นไซม์สามารถควบคุมได้ในลักษณะที่ส่งเสริมหรือลดการทำงานของเอนไซม์ มีโมเลกุลหลายชนิดที่ยับยั้งหรือส่งเสริมการทำงานของเอ็นไซม์ และกลไกต่างๆ ที่พวกมันทำเช่นนั้น In some cases of enzyme inhibition, an inhibitor molecule is similar enough to a substrate that it can bind to the active site and simply block the substrate from binding. When this happens, the enzyme is inhibited through competitive inhibition , because an inhibitor molecule competes with the substrate for binding to the active site.

On the other hand, in noncompetitive inhibition , an inhibitor molecule binds to the enzyme in a location other than the active site, called an allosteric site, but still manages to prevent substrate binding to the active site. Some inhibitor molecules bind to enzymes in a location where their binding induces a conformational change that reduces the enzyme activity as it no longer effectively catalyzes the conversion of the substrate to product. This type of inhibition is called allosteric inhibition (Figure 4.9). Most allosterically regulated enzymes are made up of more than one polypeptide, meaning that they have more than one protein subunit. When an allosteric inhibitor binds to a region on an enzyme, all active sites on the protein subunits are changed slightly such that they bind their substrates with less efficiency. There are allosteric activators as well as inhibitors. Allosteric activators bind to locations on an enzyme away from the active site, inducing a conformational change that increases the affinity of the enzyme’s active site(s) for its substrate(s) (Figure 4.9).

การเชื่อมต่ออาชีพ

Pharmaceutical Drug Developer

Enzymes are key components of metabolic pathways. Understanding how enzymes work and how they can be regulated are key principles behind the development of many of the pharmaceutical drugs on the market today. Biologists working in this field collaborate with other scientists to design drugs (Figure 4.10).

Consider statins for example—statins is the name given to one class of drugs that can reduce cholesterol levels. These compounds are inhibitors of the enzyme HMG-CoA reductase, which is the enzyme that synthesizes cholesterol from lipids in the body. By inhibiting this enzyme, the level of cholesterol synthesized in the body can be reduced. Similarly, acetaminophen, popularly marketed under the brand name Tylenol, is an inhibitor of the enzyme cyclooxygenase. While it is used to provide relief from fever and inflammation (pain), its mechanism of action is still not completely understood.

How are drugs discovered? One of the biggest challenges in drug discovery is identifying a drug target. A drug target is a molecule that is literally the target of the drug. In the case of statins, HMG-CoA reductase is the drug target. Drug targets are identified through painstaking research in the laboratory. Identifying the target alone is not enough scientists also need to know how the target acts inside the cell and which reactions go awry in the case of disease. Once the target and the pathway are identified, then the actual process of drug design begins. In this stage, chemists and biologists work together to design and synthesize molecules that can block or activate a particular reaction. However, this is only the beginning: If and when a drug prototype is successful in performing its function, then it is subjected to many tests from in vitro experiments to clinical trials before it can get approval from the U.S. Food and Drug Administration to be on the market.

Many enzymes do not work optimally, or even at all, unless bound to other specific non-protein helper molecules. They may bond either temporarily through ionic or hydrogen bonds, or permanently through stronger covalent bonds. Binding to these molecules promotes optimal shape and function of their respective enzymes. Two examples of these types of helper molecules are cofactors and coenzymes. Cofactors are inorganic ions such as ions of iron and magnesium. Coenzymes are organic helper molecules, those with a basic atomic structure made up of carbon and hydrogen. Like enzymes, these molecules participate in reactions without being changed themselves and are ultimately recycled and reused. Vitamins are the source of coenzymes. Some vitamins are the precursors of coenzymes and others act directly as coenzymes. Vitamin C is a direct coenzyme for multiple enzymes that take part in building the important connective tissue, collagen. Therefore, enzyme function is, in part, regulated by the abundance of various cofactors and coenzymes, which may be supplied by an organism’s diet or, in some cases, produced by the organism.

Feedback Inhibition in Metabolic Pathways

Molecules can regulate enzyme function in many ways. The major question remains, however: What are these molecules and where do they come from? Some are cofactors and coenzymes, as you have learned. What other molecules in the cell provide enzymatic regulation such as allosteric modulation, and competitive and non-competitive inhibition? Perhaps the most relevant sources of regulatory molecules, with respect to enzymatic cellular metabolism, are the products of the cellular metabolic reactions themselves. In a most efficient and elegant way, cells have evolved to use the products of their own reactions for feedback inhibition of enzyme activity. Feedback inhibition involves the use of a reaction product to regulate its own further production (Figure 4.11). The cell responds to an abundance of the products by slowing down production during anabolic or catabolic reactions. Such reaction products may inhibit the enzymes that catalyzed their production through the mechanisms described above.

The production of both amino acids and nucleotides is controlled through feedback inhibition. Additionally, ATP is an allosteric regulator of some of the enzymes involved in the catabolic breakdown of sugar, the process that creates ATP. In this way, when ATP is in abundant supply, the cell can prevent the production of ATP. On the other hand, ADP serves as a positive allosteric regulator (an allosteric activator) for some of the same enzymes that are inhibited by ATP. Thus, when relative levels of ADP are high compared to ATP, the cell is triggered to produce more ATP through sugar catabolism.


รับทราบ

We thank Christoph Ziegenhain for sharing the count matrix of UMI-based protocols and Keith A. Laycock and Xiaotu Ma for editing the manuscript.

Funding

This study was also supported in part by the National Cancer Institute of the National Institutes of Health under Award Number P30CA021765 and by ALSAC.

ความพร้อมใช้งานของข้อมูลและวัสดุ

The Rh41 scRNA-seq dataset and the bulk RNA-seq data for sorted CD44 high and CD44 low subpopulations generated in this study have been deposited in GEO under the accession number GSE113660 [47]. The functions used for the data analysis are included in the NBID package under a MIT license, which can be installed from Bitbucket (https://bitbucket.org/Wenan/nbid) [48]. The source code is also uploaded with DOI URL: https://doi.org/10.5281/zenodo.1225670 [49]. The codes for data QC and DE analysis using other packages can be downloaded from https://bitbucket.org/Wenan/scrna_qc_de [50]. The public datasets we use in this paper are from Ziegenhain et al. [12], Zheng et al. [8], Grun et al. [20], Jatin et al. [21], Klein et al. [7], Islam et al. [22], and Scialdone et al. [23].


วิธีการ

Cloning, Mutagenesis, Protein Expression, and Purification.

Subcloning of the cDNA encoding the C-terminal 614 residues of human CYPOR (residues 67-VRESSFV through 675-SLDVWS) from Mammalian Gene Collection 9411 (ATCC) into the pET-28a vector (Novagen), yielding the expression plasmid, pETPORΔ66, was previously described (14) and detailed in SI Methods. Histidine-tagged Δ66 CYPOR proteins were expressed in the JM109(DE3) strain and purified as described previously (14) and described in SI Methods. FAD and FMN contents of each CYPOR protein were determined by extracting flavins from samples by boiling and subjecting the supernatant to HPLC as described in SI Methods.

Kinetic Analysis, Circular Dichroism Spectroscopic Analysis, and Limited Trypsin Digestion.

Detailed description of these experimental procedures is available in SI Methods.

Crystallization, Data Collection, and Structure Determination.

All crystals were grown using the hanging drop vapor diffusion method (25) at 19 °C, followed by the macroseeding technique (26), as detailed in SI Methods. All datasets were collected at the Structural Biology Center-CAT 19ID beamline at the Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, and were processed using HKL 2000 (27). All crystals of the Δ66 proteins belong to the orthorhombic space group, NS212121, with approximate unit cell dimensions of NS = 70 Å, NS = 118 Å, และ = 115 Å with two molecules in an asymmetric unit. In all cases, the initial structures were solved by the molecular replacement method using Molrep in the CCP4 program package (28) with the structure of the corresponding domains of wild-type rat CYPOR structure (17) (Protein Data Bank ID 1AMO). Subsequent refinements of the initial structures were carried out using the CNS program package (29). The final data collection and refinement statistics are summarized in Table S1.


ดูวิดีโอ: Carbohydrate CHO 002 : การพจารณา Stereoisomer ของนำตาลโมโนแซคคาไรด (มกราคม 2022).