Skrivnostno življenje in delovanje encimov

Encimi, te kompleksne, življenjsko pomembne beljakovine v živih organizmih delujejo kot katalizatorji kemičnih reakcij in igrajo ključno vlogo pri skoraj vseh bioloških procesih. O tem, kako natanko delujejo, pa je med znanstveniki manj soglasja. Zato je vsako novo dognanje s tega področja vredno pozornosti. Takšno je tudi odkritje raziskovalcev z univerze Stanford, da je za izjemno učinkovitost encimov zelo pomembno tudi – elektrostatično polje.

V skoraj vsakem biološkem ali kemijskem učbeniku je najmanj eno obsežno poglavje namenjeno podrobnemu opisu za življenje ključnih molekularnih procesov, kakršni so mogoči le s sodelovanjem na videz magičnih beljakovin, imenovanih encimi. Toda sama magičnost njihovega delovanja ni do konca pojasnjena, in marsikateri učbenik o tem ponuja svojo razlago.

Skupina kemikov s stanfordske univerze je zato med svojo raziskavo, pred koncem minulega leta objavljeno v reviji Science, pozornost usmerila prav na še ne povsem raziskane, a po vsem sodeč bistvene zakonitosti delovanja encimov. In kakor je povedal vodja skupine dr. Steven Boxer, so med drugim ugotovili, da zelo pomembno vlogo pri pospeševanju kemičnih reakcij očitno igra tudi električno polje encima na mestu delovanja.

»Iskrice življenja«

Brez pretiravanja bi lahko rekli, da življenje brez encimov sploh ne bi bilo mogoče. Skoraj vsak proces v celicah – od podvajanja (repliciranja) DNK in sinteze beljakovin do presnavljanja hrane v energijo in celo proizvodnje steroidov – namreč omogočajo prav encimi, ki specifično delujejo na ciljno molekulo (substrat) in jo pretvorijo v nekaj koristnega. Ko se, na primer, združita spermij in jajčece, se življenje začne prav zaradi dejavnosti encimov. Pa tudi po smrti organizma encimi poskrbijo za njegov razkroj.

Toda takšne vitalne reakcije bi brez udeležbe encimov pogosto potekale izjemno dolgo, nekatere celo milijarde let. Encimi pa te počasne reakcije ne le močno pospešijo – in to z osupljivo, komaj predstavljivo potenco 25! – ampak tudi skrajno selektivno.

Od znanega ...

Zato ni posebno presenetljivo, da se številni znanstveni poskusi, da bi zasnovali in ustvarili nove, še učinkovitejše encime – pa čeprav so se izvajalci rigorozno držali osnovnega modela že temeljito proučenega encima – niso izšli po načrtih.

»Seveda je zelo pomembno spraviti vse elemente encima na pravo mesto, toda kljub vsej pazljivosti in kar največji preciznosti je očitno še nekaj umanjkalo,« pojasnjuje profesor Boxer, vodilni avtor tokratne študije. »V znanstvenem svetu o tem obstaja vrsta zelo decidiranih mnenj, nam pa se je med dosedanjimi simulacijami porodila zamisel, da morda prav elektrostatične interakcije igrajo pomembno vlogo pri zniževanju ovire za začetek želene kemične reakcije. In to zamisel smo tokrat tudi preizkusili.«

Ena izmed splošno veljavnih zakonitosti delovanja encimov je ta, da encim veže ciljno molekulo na svojem »aktivnem mestu«. Na tem mestu namreč encim pomaga trgati stare in ustvarjati nove vezi, pri tovrstnem postopnem preobražanju ciljne molekule pa nanjo seveda deluje tudi njegov električni naboj. In to spreminjanje napetosti vpliva tako na električna polja specifičnih vodikovih vezi kot na druge interakcije med encimom in molekulo (substratom), na katero encim deluje.

Nekateri kemiki so v tej zvezi postavili hipotezo, da morda prav takšna elektrostatična polja olajšajo in pospešijo reakcijo, med katero iz substrata nastane koristen produkt; in močnejša ko je ta vzročno-posledična zveza, učinkovitejše je delovanje encima.

... k novemu

Raziskovalci dr. Boxerja so za tokratni poskus nekoliko priredili že stoletje znano tehniko za merjenje električnih polj in z njo proučili aktivno mesto ketosteroidne izomeraze – encima, ki sodeluje pri metabolizmu steroidov. In ugotovili so, da ta encim na substrat vpliva tudi z izjemno močnim električnim poljem, prav to pa zelo pospeši dovzetnost sicer dokaj nedovzetne molekule za preobrazbo.

Eksperiment so ponovili še z umetno ustvarjeno različico istega encima z nekoliko spremenjenim aktivnim mestom, ki se je med prejšnjimi poskusi pokazalo za manj učinkovito pri kataliziranju reakcije. In s primerjavo obeh meritev so ugotovili, da ima prvi, naravni encim veliko močnejše elektrostatično polje, ki je »zaslužno« za kar 70 odstotkov njegove učinkovitosti.

»Seveda nismo pričakovali, da bomo odkrili en sam vsemogočni dejavnik za učinkovito delovanje encima, toda 70 odstotkov je zagotovo zelo pomemben prispevek,« je prepričan dr. Boxer. »Poleg tega je naš eksperiment prepričljivo potrdil, da je elektrostatično polje v proučevanem primeru neposredno vplivalo tako na hitrost kot na učinkovitost kemične reakcije. Lahko bi rekli, da je bilo pri omenjenem encimu celo ključno za proces katalize.«

Avtorji tokratne študije predvidevajo, da podobno velja tudi za druge encime, vendar dopuščajo možnost, da je vpliv električnega polja odvisen še od molekul, na katere encim deluje. Vsekakor pa pričakujejo, da bo opisani pristop mogoče uporabiti za boljšo količinsko določitev elektrostatičnega prispevka h katalizi tudi pri drugih encimih, jih narediti še učinkovitejše ali pa celo izdelati nove, kemične katalizatorje s še močnejšim elektrostatičnim poljem.

»Zavedamo se, da naše odkritje sodi v okvire temeljne znanosti in da samo po sebi ne bo rešilo energijske krize ali kaj podobnega,« poudarja dr. Boxer. »Zagotovo pa nam lahko pomaga bolje interpretirati veliko dragocenih podatkov, ki so že na voljo, in na podlagi temeljnih fizikalnih konceptov bolje razumeti, kaj natanko je tako zelo edinstvenega pri encimih, da jim marsikdo upravičeno reče kar 'iskrice življenja'.«