분자 수준의 다윈: 시토크롬 c 산화효소를 포함한 전자 터널링 단백질에서의 선택성과 변이

생물학적 전자 전이는 촉매 클러스터를 레독스 보조인자 체인으로 연결하기 위해 설계되었습니다. 생리적 기능과 관련된 변이와 선택성을 분자 수준에서 측정하기 위한 비판적인 시각으로 특징이 있는 자연 레독스 단백질을 검토한 결과, 생리학적으로 유익하거나 해로운 전자 전송에 관여하는 보조인자 사이의 단백질 매체에 통계적으로 유의미한 차이는 없었습니다. 대신, 장거리 전자 터널링의 제어는 주로 체인 내 보조인자 사이의 간격이 14 Å 미만일 때에 의존합니다. 촉매 클러스터 근처에서는 더 짧은 거리(보통 7 Å 미만)가 선택되어 생리학적 속도로 다전자 결합 형성/파괴 촉매의 장벽을 넘기 충분히 높은 터널링 주파수를 생성하는 것으로 나타났습니다. 우리는 시토크롬 c 산화효소의 터널링 네트워크 분석을 통해 이러한 행동을 설명합니다. H+ 이동과 O2 환원이 10(3)-10(5) s-1 호흡의 시간 척도에서 산화효소의 이중계 중심에서 예상되는 5-10 kcal mol-1 범위의 크고 열적으로 활성화된 단열 장벽을 극복하기 위해, 10(9) 또는 10(10) s-1의 터널링 주파수를 가진 전자 접근이 필요합니다. 이는 헤모글로빈 a(6.9 Å) 또는 타이로신(4.9 Å)과 같이 가까이 위치한 레독스 중심을 선택함으로써 제공됩니다. 결과적으로, CuA와 같이 더 멀리 위치한 레독스 중심은 촉매 사이트 장벽을 빠르게 넘을 수 없으며, 전자를 더 가까이 위치한 중심을 통해 보내야 하며, 헤모글로빈 a에서 a3로의 전자 전송과 관련된 양성자 펌핑을 회피하는 직접적인 단락 회로를 피해야 합니다. 거리와 에너지 장벽의 선택은 CuA에서 헤모글로빈 a로의 전자 전송을 이끌어내며 a3로는 그렇지 않으며, '하드 와이어' 전자 전송을 위한 단백질 매체의 섬세한 엔지니어링이 필요하지 않습니다. 실제로 많은 수의 산화환원 효소를 조사한 결과, 자연적으로 선택된 전자 터널링 경로의 그러한 배선에 대한 증거는 없습니다.