Molecular noise-induced activator-inhibitor duality in enzyme inhibition kinetics

非竞争性抑制剂 酶动力学 动力学 化学 酶分析 激活剂(遗传学) 非竞争性抑制 热力学 物理 生物化学 量子力学 活动站点 基因
作者
Manmath Panigrahy,Arti Dua
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (15)
标识
DOI:10.1063/5.0152686
摘要

Classical theories of enzyme inhibition kinetics predict a monotonic decrease in the mean catalytic activity with the increase in inhibitor concentration. The steady-state result, derived from deterministic mass action kinetics, ignores molecular noise in enzyme-inhibition mechanisms. Here, we present a stochastic generalization of enzyme inhibition kinetics to mesoscopic enzyme concentrations by systematically accounting for molecular noise in competitive and uncompetitive mechanisms of enzyme inhibition. Our work reveals an activator-inhibitor duality as a non-classical effect in the transient regime in which inhibitors tend to enhance enzymatic activity. We introduce statistical measures that quantify this counterintuitive response through the stochastic analog of the Lineweaver–Burk plot that shows a merging of the inhibitor-dependent velocity with the Michaelis–Menten velocity. The statistical measures of mean and temporal fluctuations - fractional enzyme activity and waiting time correlations - show a non-monotonic rise with the increase in inhibitors before subsiding to their baseline value. The inhibitor and substrate dependence of the fractional enzyme activity yields kinetic phase diagrams for non-classical activator-inhibitor duality. Our work links this duality to a molecular memory effect in the transient regime, arising from positive correlations between consecutive product turnover times. The vanishing of memory in the steady state recovers all the classical results.
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