PNAS:酶使生物反應從23億年縮至幾毫秒

2020-12-14 生物谷

人類細胞中的所有生物反應都依賴於酶的作用,它們作為催化劑促使生物反應在幾毫秒內發生。那麼,如果不存在酶將會怎樣?美國科學家近日研究稱,在沒有酶作用的情況下,某種生物反應的自然發生需要23億年,相當於地球年齡的一半。研究論文發表於11月11日的美國《國家科學院院刊》(PNAS)。

研究人員稱,這一反應對於血色素和葉綠素的生物合成必不可少,當沒有酶存在時,它的半衰期是23億年;當用酶尿卟啉原脫羧酶催化時,反應速度驚人地增加,只需幾毫秒就能發生。酶存在與否造成的差別堪比細菌細胞直徑和地球與太陽之間距離的差距。

論文通訊作者、美國北卡羅萊納大學的Richard Wolfenden說:「這個酶對於地球上的植物和動物必不可少。我們所研究的是進化不得不克服的難題,而酶跨越了這一巨大的障礙——半衰期為23億年的反應。」

了解生物反應所需的時間在多個方面具有重要的意義。它能幫助科學家將酶與人工催化劑進行比較,同時,觀測非常緩慢的生物反應也能得到有助於藥物研發的重要信息。Wolfenden說:「行使重要催化作用的酶很容易成為藥物研發最靈敏的標靶。我們研究的酶非常迷人,因為它們的催化能力是空前的。」(生物谷Bioon.com)

生物谷推薦原始出處:

PNAS,vol. 105 no. 45 17328-17333,Charles A. Lewis, Jr.,Richard Wolfenden

Uroporphyrinogen decarboxylation as a benchmark for the catalytic proficiency of enzymes

Charles A. Lewis, Jr. and Richard Wolfenden

The magnitude of an enzyme's affinity for the altered substrate in the transition state exceeds its affinity for the substrate in the ground state by a factor matching the rate enhancement that the enzyme produces. Particularly remarkable are those enzymes that act as simple protein catalysts, without the assistance of metals or other cofactors. To determine the extent to which one such enzyme, human uroporphyrinogen decarboxylase, enhances the rate of substrate decarboxylation, we examined the rate of spontaneous decarboxylation of pyrrolyl-3-acetate. Extrapolation of first-order rate constants measured at elevated temperatures indicates that this reaction proceeds with a half-life of 2.3 × 109 years at 25 °C in the absence of enzyme. This enzyme shows no significant homology with orotidine 5′-monophosphate decarboxylase (ODCase), another cofactorless enzyme that catalyzes a very slow reaction. It is proposed that, in both cases, a protonated basic residue (Arg-37 in the case of human UroD; Lys-93 in the case of yeast ODCase) furnishes a counterion that helps the scissile carboxylate group of the substrate leave water and enter a relatively nonpolar environment, stabilizes the incipient carbanion generated by the departure of CO2, and supplies the proton that takes its place.

相關焦點

  • 大電網應急處理時間縮至毫秒級
    大電網應急處理時間縮至毫秒級 發布時間:2016-06-17   來源:中電新聞網
  • 這個超級生物酶能分解塑料,科學家無意中將它「升級」
    年發現的某種PET塑料(聚對苯二甲酸乙二酯)降解酶的過程中,無意間改變了該酶的結構,導致其降解PET的能力有效提高,該項幸運指數爆表的發現很有可能在未來改變人類的生活方式和整個石油工業的格局。 從高中課本中我們已經了解過,酶是活細胞製造的某些特殊蛋白質(極少數是RNA),它們參與生物體中的一系列生化反應,通過複雜而精妙的機制調控反應進行的速率、方向以及程度等,堪稱是生物體內的魔法師。
  • PNAS:為何某些癌症對最有效的化療藥物5-氟尿嘧啶沒有反應?
    2019年8月11日 訊 /生物谷BIOON/ --近日,一項刊登在國際雜誌PNAS上的研究報告中,來自澳大利亞拉籌伯大學的科學家們通過研究解釋了為何某些癌症對一種最有效的化療藥物5-氟尿嘧啶(5-FU)沒有反應。
  • 高中生物酶的功能解讀
    酶(英文:Enzyme,源於希臘語:ενζυμον,「在酵裡面」),指具有生物催化功能的高分子物質, 在酶的催化反應體系中,反應物分子被稱為底物,底物通過酶的催化轉化為另一種分子。幾乎所有的細胞活動進程都需要酶的參與,以提高效率。與其他非生物催化劑相似,酶通過降低化學反應的活化能(用Ea或ΔG表示)來加快反應速率,大多數的酶可以將其催化的反應之速率提高上百萬倍;事實上,酶是提供另一條活化能需求較低的途徑,使更多反應粒子能擁有不少於活化能的動能,從而加快反應速率。酶作為催化劑,本身在反應過程中不被消耗,也不影響反應的化學平衡。
  • PNAS:狗會感到嫉妒 - PNAS報導專區 - 生物谷
    和多種對照情況相比,這些狗對於不公平的獎賞分配的反應不同,這是根據當受試狗的夥伴因為完成任務而獲得食物但受試狗沒有得到食物時的反應而衡量的。這種怨恨可以用實驗者提示狗的次數或者狗在拒絕之前執行任務的次數量化。這些狗看上去並不關心究竟它們得到了什麼獎賞,也不關心夥伴在收到食物前是否完成了任務。這組科學家說,狗的嫉妒可能是更複雜的靈長類感情的進化前驅。
  • PNAS:肌肉細胞與脂肪細胞是如何協同工作的?
    2020年9月16日訊/生物谷BIOON/---為什麼進行運動訓練會使我們更健康?眾所周知,運動可以增強胰島素敏感性,改善我們的新陳代謝,進而提高運動表現。但是,尚未完全了解這種適應的生物學機制。發表在《 PNAS》雜誌上的新研究表明,部分解釋取決於骨骼肌和脂肪組織如何相互交流。
  • PNAS:重大突破!利用RNA核酶複製和擴增RNA
    2016年8月17日/生物谷BIOON/--RNA自我複製是RNA世界假說的一個關鍵部分,但是在實驗室中產生能夠合成、複製和擴增功能性RNA分子的核酶(ribozyme)一直是比較困難的。在此之前,最為成功的I類RNA聚合酶核酶變異體即便在它們偏好的模板---短的簡單的富含嘧啶鹼基的RNA序列---上,工作效率並不高效。
  • 「生物酶」的降解真相:降解劑是不是渾水摸魚?
    據科學測試,在地下掩埋60年的塑料鞋被挖出後發現其基本不被腐蝕。在大海中漂了60年的塑料製品,功能基本沒有喪失,這就導致廢棄對土壤和環境帶來了直接的破壞性影響。為了解決這個難題,深入研究塑料的降解機理以及利用生物處理技術開發可降解塑料凸顯出重大意義。
  • 【選修一導學】 5.2 多聚酶鏈式反應擴增DNA片段
    DNA複製與PCR反應的區別體內DNA複製PCR反應解旋在解旋酶作用下,細胞提供能量,部分解開加熱至90  ℃,雙鏈全部解開,不需要解旋酶引物一小段RNA可以是RNA或單鏈DNA分子片段合成子鏈在引物基礎上,一條鏈連續合成,另一條鏈不連續合成
  • 【回顧】PNAS | 雙光子成像癲癇腦內MPO介導的氧化應激及其化學調控
    趙勁教授的研究方向包括金屬蛋白和金屬酶的結構、生物相容的金屬催化反應和螢光分子探針。朱海亮教授的研究方向包括生物無機藥物化學、天然藥物合成化學。錢勇教授的研究方向包括氧化應激相關的關鍵生物分子及疾病標誌物的螢光診斷成像與化學調控。        MPO是一種含有兩個鐵素基團的過氧化物酶,以氯離子和過氧化氫為底物,可催化產生HClO和其他氯化物種,導致潛在的氧化應激。
  • PNAS:陽極聚合物中間體引發的原位類Fenton反應電化學淨水
    Dan-Ni Pei, et al, In situ organic Fenton-like catalysis triggered by anodic polymeric intermediates for electrochemical water purification, PNAS, 2020DOI: 10.1073/pnas
  • 民族品牌雪豹生物酶牙膏悲壯的故事
    >  2000年2月26日下午,上海崇明殯儀館近千人一片哭聲……,這要從雪豹日化董事長童渝的摯友、副總經理、FE生物酶牙膏的創始人之一——共產黨員徐建國講起。經推薦,又經反覆奔走,1996年國家工商總局批准上海維多俐牙膏廠(當時是唯一一家國內企業)以傳銷方式從事FE生物酶牙膏的銷售。  可誰會想到,社會上一些非法傳銷企業和一大批夢想發財的無知人們,加上一些不法之徒使傳銷變了味,國家不得不在1998年4月全面禁止傳銷。前功盡棄,上海維多利牙膏廠又一次進入危機。  幾經折騰,回天無力。建國病倒在床。
  • 生物物理所基於納米酶仿生設計人工過氧化物酶體
    此後,該團隊一直致力於高活性納米酶的設計和開發,尤其是借鑑天然酶催化活性中心的結構和催化機理,不斷將天然酶仿生的理念引入納米酶。首先,天然過氧化物酶的活性部位核心-鐵原子周圍的組氨酸介導了H2O2在活性位點的定位,並有助於催化反應的啟動。受此啟發,該團隊在2017年合成了一系列胺基酸修飾的Fe3O4納米酶,並發現組氨酸殘基的修飾顯著提高了Fe3O4納米酶的類過氧化物酶活性。
  • 拆解美聯儲百億美元縮表的「魔鬼細節」
    對於這一符合預期的結果,仍存在諸多鮮為人知的細節,儘管短期影響不大,但縮表的長期市場影響值得密切監測。五年縮表四成 等於三次加息工銀國際首席經濟學家程實對第一財經記者表示:「根據美聯儲既定的縮表方案,我們判斷,本輪縮表將延續至2023年,表內資產規模和所持證券規模均將大致縮減至當前的60%。
  • ...文報導厭氧菌中兩個催化磺酸丙二醇降解的新自由基酶及其生化通路
    這是天津大學藥學院張雁教授、尉遲之光副教授研究團隊與美國伊利諾伊大學香檳分校(UIUC)趙惠民教授及其領導的新加坡科學與工程研究所(A*STAR)研究團隊長期合作,對有機磺酸化合物在厭氧環境下依賴自由基酶催化降解途徑深入研究的又一重大成果。
  • 2020-2026年中國酶製劑行業現狀調研分析與發展趨勢預測報告
    第四節 酶的分子結構與催化活性的關係  第五節 酶原與酶原激活  第六節 酶促反應的作用機制    一、酶促反應的特點      (一)酶促反應具有高度的催化速率      (二)酶催化具有高度特異性      (三)酶活性的可調節性    二、酶促反應的作用機制
  • PNAS:公眾的節能誤解 - PNAS報導專區 - 生物谷
    (生物谷Bioon.com)生物谷推薦原文出處:PNAS doi: 10.1073/pnas.1001509107 Public perceptions of energy consumption and savingsShahzeen
  • 原核生物和真核生物Argonaute酶的主要區別
    酶有明確的活性位點,與底物分子複雜地結合。這通常伴隨催化反應發生前的酶構象變化。對Ago酶來說,催化步驟需要插入一個「穀氨酸指」來形成插入式的催化構象,這種構象可以通過由兩個對稱的帶正電荷殘基提供的氫鍵網絡來穩定。真核生物的Ago酶,這兩個對稱帶正電荷的殘基起著相同的作用,對分裂至關重要。
  • 持續時間幾毫秒,能量夠人類用622億年!
    快速射電暴快速射電暴與其他無線信號不同,持續時間很短,大部分只有幾毫秒。在2007年的時候科學家第1次探測到了快速射電暴,只不過時間太短暫,快速射電暴也一直困擾著科學家。當然這些也都是大家的猜測,並沒有真實的科學證據,直到現在,這些困擾了科學家十幾年的,電波信號的秘密也終於被解開。科學家利用了三個地方的望遠鏡,同時捕捉到了這一信號,這顆磁星正好位於活躍期,科學家正好就捕捉到了這一信號,這也不得不說人類是多麼的幸運。
  • 《生物技術通報》「漆酶(2018-2019)」文章精選
    中國知網限時免費下載時間至:2020年3月3日。具體登錄方法請見文後「溫馨提示」! 漆酶能夠以分子氧作為電子接受體,催化氧化多種酚類和非酚類底物形成自由基中間體,隨後這些自由基中間體涉及到氧化耦合或鍵斷裂,最終導致底物發生氧化、分解或聚合反應。目前,主要採用包埋、吸附、共價綁定和交聯結合等方法製備固定化漆酶,以增強漆酶在實際環境中的催化活性、穩定性和循環再利用功效。