Termodinamski ples encimov

Britanski in novozelandski raziskovalci in raziskovalke so na ravni molekulske strukture uspeli razložiti pomemben mehanizem prilagoditve na življenje pri različnih temperaturah.

Uspešno in regulirano izvajanje kemijskih reakcij je nedvomno osrednja lastnost živega bitja. Ker bi bile te v živih organizmih zelo počasne, so živa bitja tekom evolucije razvila encime. Encimi so proteini, ki s svojo specifično tridimenzionalno strukturo pospešijo kemijsko reakcijo. Najzmogljivejši encimi lahko izvedejo v optimalnih fizioloških pogojih tudi do nekaj milijonov kemijskih pretvorb v pičli sekundi!

V iskanju svojega življenjskega prostora so bili živi organizmi primorani naseliti zelo različne ekološke niše z zelo različnimi fizikalno-kemijskimi pogoji. Za uspešno naselitev ekološke niše je bila tako ključna uspešna prilagoditev na pogoje, ki tam vladajo. Ena izmed glavnih prilagoditev je bila prav gotovo  prilagoditev na temperaturo okolja. Slednja je še posebej pomemben dejavnik, saj je struktura in posledično funkcija bioloških makromolekul, kot so denimo proteini, neposredno povezana s temperaturo. Tako je tudi uspešno delovanje encima in reakcije, v kateri prvi sodeluje, ključno pogojeno s temperaturo okolja, v katerem organizem prebiva. V raziskovalni srenji že dolgo prevladuje mnenje, da je izguba encimske aktivnosti pri višjih temperaturah predvsem posledica izgube tridimenzionalne strukture encima, torej delno razvitje sicer zvite polipeptidne verige.

Ena izmed fizikalnih količin, ki opiše, kako se struktura encima spreminja pri kemijski reakciji, je toplotna kapaciteta. Toplotna kapaciteta prav tako na nek način odraža dinamiko samega encima med reakcijo oziroma dinamiko premikov posameznih segmentov znotraj molekule.

Britanski in novozelandski raziskovalci so s pomočjo računalniške simulacije oziroma tako imenovane molekulske dinamike uspeli izračunati spremembe v toplotni kapaciteti encimov med reakcijo. Izračunano toplotno kapaciteto so primerjali z eksperimentalno določenimi vrednostmi ter jo uspešno povezali s premiki atomov v strukturi encima v računalniški simulaciji. Ugotovili so, da se mora celotna struktura encima med kemijsko reakcijo usklajeno spreminjati. Lahko bi rekli, da mora struktura encima oziroma še natančneje atomi, ki ga gradijo, poplesavati v ravno pravem taktu, torej po taktu, ki ga zapoveduje sprememba toplotne kapacitete encima med reakcijo.

Raziskovalke in raziskovalci so tako dognali, da so se morale strukture encimov v okoljih z različnimi temperaturami prilagoditi tako, da je njihov ples atomov v celotni proteinski strukturi zagotovil ravno pravšnjo spremembo toplotne kapacitete, ki omogoča njihovo optimalno delovanje.

Po taktu termodinamike občasno zapleše tudi vajenec Uroš.

Vir: M. W. van der Kamp, E. J. Prentice, K. L. Kraakman, M. Connolly, A. J. Mulholland, and V. L. Arcus, “Dynamical origins of heat capacity changes in enzyme-catalysed reactions,” Nat. Commun., vol. 9, no. 1, p. 1177, 2018.