Enzymy są specyficznymi wielkocząsteczkowymi katalizatorami biologicznymi. Prowadzą one większość reakcji biochemicznych w organizmach żywych. Enzymologia głównie zajmuje się samymi enzymami. Rola innych mediatorów jest w tej nauce bardzo często pomijana. Między innymi rola ruchów wody, które pośredniczą w reakcjach biologicznych jest odsuwana na dalszy plan. Wynika to w dużej mierze ze złożoności oddziaływań molekularnych enzymów i innych, dodatkowych cząsteczek.
Rys.1 Schematyczne przedstawienie tunelu biorącego udział w tworzeniu kompleksu enzym-substrat, prawa autorskie: RUB, Grafik: Havenith/Nibali
Grupa badaczy na czele z Martin Havenith oraz Irit Sagi skorygowała klasyczną teorię enzymatyczną stanu stacjonarnego. W badaniu uwzględniono także długotrwałe sprzężenie białek z cząsteczkami wody. Wyniki zostały oparte na modelach katalizy funkcjonalnej.
Całość badań została przeprowadzona przy wykorzystaniu różnorodnych technik. Zastosowano połączenie promieniowania rentgenowskiego oraz spektroskopii terahercowej. Ponadto naukowcy wykonali specjalne modele obrazujące dynamikę reakcji molekularnych. Swoje badania przedstawili na łamach Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS).
Powszechnie wiadomo, że woda odgrywa kluczową rolę w złożonych procesach biologicznych. Współzależności te są jednak ciągle niejasne, co wynika ze stopnia ich złożoności. Obserwacja tych oddziaływań jest utrudniona, ponieważ brakuje odpowiednich rozwiązań technologicznych. Mogłyby one dać jednoznaczne odpowiedzi na wiele nurtujących nas pytań.
Naukowcy w celu wyjaśnienia zależności enzymatycznych połączyli największe znane technologie eksperymentalne. Zastosowali promieniowanie rentgenowskie, spektroskopię terahercową oraz analizę molekularną. W ten sposób uzyskano pomiary zmian zachodzących podczas reakcji enzymatycznej między ruchami wody, a białkami. Opracowano również najdrobniejsze szczegóły mechanizmu podstawowego przy pomocy symulacji dynamiki cząsteczkowej. Badanymi enzymami były głównie metaloproteinazy zaangażowane w degradację białek macierzy zewnątrzkomórkowej.
Zastosowanie takiego zintegrowanego systemu badawczego umożliwiło autorom ujawnić nowe zjawisko biologiczne. Okazało się bowiem, że ruchy cząsteczek wody, opisane w klasycznej teorii enzymatycznej, są niewłaściwe. Naukowcy stwierdzili, że woda generuje specyficzne, długotrwałe ruchy białko-woda. Ponadto ruchy te mogą trwać o wiele dłużej niż tylko pojedynczy cykl katalityczny enzymu.
W miejscu wiązania zauważono powstawanie „lejka wodorowego” (ang. hydrogen funnel). W dalszej kolejności ruchy wody są dostosowywane do ruchów substratu. Ma to kluczowe znaczenie dla utworzenia wiązania w obrębie enzymu. Wykazano również, że woda jest niezbędna do zoptymalizowania połączenia i odpowiedniego strukturalnego ułożenia substratu względem enzymu.
Podsumowując, nowe obserwacje umożliwiły poprawienie niektórych aspektów teorii enzymatycznej. Dzięki nim odkryto także nowe zjawisko zachodzące w czasie procesu katalizy enzymatycznej.
Projekt był realizowany pod patronatem Cluster of Excellence RESOLV i wspierany poprzez Niemiecką Fundację Badań (German Research Foundation).
- Jessica Dielmann-Gessner, Moran Grossman, Valeria Conti Nibali, Benjamin Born, Inna Solomonov, Gregg B. Fields, Martina Havenith, Irit Sagi.Enzymatic turnover of macromolecules generates long-lasting protein–water-coupled motions beyond reaction steady state. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; 201410144 DOI: 1073/pnas.1410144111
- http://www.sciencedaily.com/releases/2014/11/141126075107.htm
Opracował: Karol Madejczyk
Korekta: Olga Polakowska
