[论文解读] Comment on "Enhanced Diffusion of Enzymes that Catalyze Exothermic Reactions" by R.Golestanian

Kostas Tsekouras, Clement Riedel+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Protein Structure and Dynamics被引用 7

一句话总结

本文挑战了 R. Golestanian 提出的假设，即放热酶反应的集体加热可解释酶扩散的增强。通过精确的比热容和黏度计算，作者表明其实验中的温度升高远小得多——不足 0.1 K——无法解释观察到的过氧化氢酶扩散增加 25% 的现象，并提供了实验对照和统计证据，驳回了集体加热作为作用机制的可能性。

ABSTRACT

We (Riedel et al. Nature 2015), as well as others, have showed that some enzymes exhibit enhanced diffusion when active. In a recent PRL, (Golestanian, PRL 2015, arXiv:1508.03219) R.Golestanian theoretically examines a number of possible explanations for this phenomenon and concludes that "collective heating" is the best candidate to account for the observed diffusion coefficient increase. Here we present evidence showing that collective heating cannot possibly apply to our experiments.

研究动机与目标

• 挑战 R. Golestanian 提出的假设，即放热反应的集体加热可解释酶扩散的增强。
• 通过实验对照和热力学计算，排除溶剂加热作为活性酶中观察到的扩散增加的原因。
• 证明其体系中的温度升高不足以产生观察到的过氧化氢酶 25% 的扩散增强。
• 表明集体加热无法解释相同反应容器中活性与非活性脲酶之间不同的扩散行为。
• 提供统计和物理证据，表明除热效应外的其他机制是解释酶扩散增强所必需的。

提出的方法

• 利用底物浓度、反应焓变和比热容计算理论上可能的最大温度升高：假设底物完全耗尽时，ΔT ≈ 0.6 K。
• 应用考虑温度和黏度依赖性的斯托克斯-爱因斯坦关系，估算扩散系数增强：当 ΔT = 0.6 K 时，D′/D ≈ 1.015。
• 基于过氧化氢酶 turnover 的时间依赖性产热（k = 2.5×10⁴ s⁻¹，[C_cat] = 1 nM，t = 30 s），计算实际 ΔT ≈ 0.072 K。
• 使用实际时间依赖性加热重新计算扩散增强：D′/D ≈ 1.00112，加入阿伦尼乌斯温度校正后得到 D′/D ≈ 1.00118。
• 对对照数据进行高斯似然比检验，显示固定扩散系数（31.5 μm²/s）比 25% 的增加更可能（22 倍）。
• 将实验结果与 Golestanian 假设的稳态底物补充情况进行对比，该假设不适用于其非补充的体系。

实验结果

研究问题

• RQ1 放热酶反应的集体加热能否解释实验中观察到的过氧化氢酶扩散增加 25% 的现象？
• RQ2 在封闭系统中，假设完全耗尽底物且无热量损失时，预期的最大温度升高是多少？
• RQ3 在 30 秒实验中，实际的时间依赖性产热与理论最大温度升高的比较如何？
• RQ4 为何非活性脲酶在与活性过氧化氢酶处于同一容器时表现出不同的扩散行为？
• RQ5 观察到的扩散增强是否与热机制一致，还是需要非热机制的解释？

主要发现

• 在假设完美热隔离且底物完全耗尽的前提下，系统中可能的最大温度升高仅为 ΔT ≈ 0.6 K。
• 由于此温度升高导致的扩散系数增强估计为 D′/D ≈ 1.015，远低于实验中观察到的 25% 增加。
• 在考虑实际实验条件（1 nM 过氧化氢酶，30 秒持续时间，无底物补充）时，温度升高为 ΔT ≈ 0.072 K，对应的 D′/D ≈ 1.00112。
• 加入阿伦尼乌斯温度依赖性后，预测的增强值增至 D′/D ≈ 1.00118，与观察到的 25% 增加相比仍可忽略不计。
• 对照数据的统计分析表明，固定扩散系数（31.5 μm²/s）比 25% 的增加更可能（22 倍），与集体加热假说相矛盾。
• 集体加热无法解释同一容器中活性与非活性脲酶之间不同的扩散行为，进一步否定了热机制。