Химическая специфичность — это способность связывающего участка макромолекулы (например, белка ) связывать определенные лиганды . Чем меньше лигандов может связать белок, тем выше его специфичность.
Специфичность описывает прочность связи между данным белком и лигандом. Эта связь может быть описана константой диссоциации , которая характеризует баланс между связанными и несвязанными состояниями для 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. (Более низкое значение соответствует более сильному связыванию.)
Специфичность набора лигандов не связана со способностью фермента катализировать данную реакцию, используя лиганд в качестве субстрата. [1 ]
Если данный фермент обладает высокой химической специфичностью, это означает, что набор лигандов, с которыми он связывается, ограничен, так что ни процессы 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 являются беспорядочными и связывают большее количество лигандов. [3] 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 к нескольким лигандам. Протеазы представляют собой группу ферментов, которые демонстрируют широкий спектр специфичностей расщепления. Беспорядочные протеазы как пищеварительные ферменты неспецифично расщепляют пептиды, тогда как высокоспецифичные протеазы участвуют в сигнальных каскадах. [4]
Взаимодействия между белком и лигандом существенно влияют на специфичность между двумя сущностями. 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 для друга.
Специфичность 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, таким образом, является более беспорядочным. Поскольку процесс связывания обычно приводит к жесткости обоих партнеров по связыванию в комплексе, связывание гибкого белка обычно сопровождается энтропийным штрафом. Это главная причина часто встречающейся положительной корреляции сродства связывания и специфичности связывания. Антитела демонстрируют сильную корреляцию между жесткостью и специфичностью. [6] [3] Эта корреляция простирается далеко за пределы паратопа антител [7]
Специфичность фермента относится к взаимодействиям между любым конкретным ферментом и соответствующим ему субстратом. В дополнение к специфичности связывания его субстратов, правильная близость и ориентация, а также связывание переходного состояния обеспечивают дополнительный уровень специфичности фермента.
Ферменты различаются по специфичности субстратов, с которыми они связываются, для выполнения определенных физиологических функций. Некоторые ферменты могут быть менее специфичными и, следовательно, могут связываться с многочисленными субстратами для катализа реакции. С другой стороны, определенные физиологические функции требуют чрезвычайной специфичности фермента для одного определенного субстрата для того, чтобы произошла правильная реакция и физиологический фенотип. Различные типы категоризации различаются в зависимости от их специфичности для субстратов. В целом они делятся на четыре группы: абсолютная, групповая, связывающая и стереохимическая специфичность.
Абсолютную специфичность можно рассматривать как исключительную, при которой фермент действует на один определенный субстрат. [8] Абсолютно специфические ферменты будут катализировать только одну реакцию со своим определенным субстратом. Например, лактаза — это фермент, специфичный для расщепления лактозы на два моносахарида сахара, глюкозу и галактозу. Другим примером является глюкокиназа , которая является ферментом, участвующим в фосфорилировании глюкозы до глюкозо-6-фосфата. Она в основном активна в печени и является основным изоферментом гексокиназы . [9] Ее абсолютная специфичность относится к тому, что глюкоза является единственной гексозой, которая может быть ее субстратом, в отличие от гексокиназы, которая использует в качестве своего субстрата множество гексоз.
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, который имеет решающее значение для переваривания пищи, потребляемой нами, который гидролизует пептидные связи между гидрофобными аминокислотами, с распознаванием ароматических боковых цепей, таких как фенилаланин, триптофан и тирозин. Другим примером является гексокиназа, фермент, участвующий в гликолизе, который фосфорилирует глюкозу для получения глюкозо-6-фосфата. Этот фермент проявляет групповую специфичность, допуская несколько гексоз (6-углеродных сахаров) в качестве своего субстрата. [11] Глюкоза является одним из важнейших субстратов в метаболических путях с участием гексокиназы из-за ее роли в гликолизе, но это не единственный субстрат, с которым гексокиназа может катализировать реакцию.
Специфичность связей, в отличие от групповой специфичности, распознает определенные типы химических связей. Это отличается от групповой специфичности, поскольку она не зависит от наличия определенных функциональных групп для катализа определенной реакции, а зависит от определенного типа связи (например, пептидной связи).
Этот тип специфичности чувствителен к оптической активности ориентации субстрата. Стереохимические молекулы различаются по способу, которым они вращают плоскость поляризованного света, или по ориентации связей (см. альфа, бета-гликозидные связи). Ферменты, которые являются стереохимически специфичными, будут связывать субстраты с этими конкретными 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, фермент амилаза присутствует в слюне млекопитающих, которая является стереоспецифичной для альфа-связей, поэтому млекопитающие способны эффективно использовать крахмал и гликоген в качестве форм энергии, но не целлюлозу (потому что это бета-связь).
Конкретная константа равновесной диссоциации для образования комплекса фермент-субстрат известна как . Она используется как мера сродства, причем более высокие значения указывают на более низкое сродство.
Для данного уравнения (E = фермент, S = субстрат, P = продукт),
будет эквивалентно , где и - скорости прямой и обратной реакции, соответственно, при превращении отдельных E и S в комплекс ферментного субстрата.
Теория информации позволяет более количественно определить специфичность, вычислив энтропию в спектре связывания. [4]
Химическая специфичность фермента к определенному субстрату может быть найдена с использованием двух переменных, которые выводятся из уравнения Михаэлиса-Ментен . аппроксимирует константу диссоциации комплексов фермент-субстрат. представляет собой скорость оборота или число реакций, катализируемых ферментом, по отношению к количеству фермента. по отношению к известно как константа специфичности , которая дает меру сродства субстрата к некоторому конкретному ферменту. Также известное как эффективность фермента, это соотношение показывает предпочтение фермента определенному субстрату. Чем выше константа специфичности фермента, тем выше предпочтение к этому субстрату.
Ферментативная специфичность обеспечивает 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, при этом новые лекарства проверяются на специфичность к целевой молекуле в различных раундах клинических испытаний. Лекарства должны содержать как можно более специфичные структуры, чтобы свести к минимуму возможность нецелевых эффектов, которые могут вызвать неблагоприятные симптомы у пациента. Лекарства зависят от специфичности разработанных молекул и формул для ингибирования определенных молекулярных мишеней. [1] Открытие новых лекарств продвигается вперед с экспериментами, включающими высокоспецифичные соединения. Например, основой, которую должны успешно доказать лекарства, является как способность связывать целевой рецептор в физиологической среде с высокой специфичностью, так и их способность передавать сигнал для создания благоприятного биологического эффекта против болезни или заболевания, которые лекарство призвано нейтрализовать. [13]
Научные методы, такие как иммуноокрашивание, зависят от химической специфичности. Иммуноокрашивание использует химическую специфичность антител для обнаружения интересующего белка на клеточном уровне. [14] Другой метод, который основан 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 целевому интересующему белку и будут содержать флуоресцентную метку, сигнализирующую о наличии интересующего исследователя белка. [15]
