211service.com
Hebben enzymen ingebouwde koelsystemen?
De studie van hoe moleculaire machines ons lichaam assembleren en onderhouden, is een van de bepalende wetenschappen van onze generatie. Hoe meer we leren over deze machines, hoe complexer en capabeler ze lijken.
Een kenmerk dat alle machines gemeen hebben, is dat ze het beste werken binnen een bepaald temperatuurbereik. Veel door mensen gebouwde machines hebben complexe systemen om hun temperatuur op peil te houden. Evenzo hebben veel machines die door evolutie zijn gebouwd, extreem efficiënte thermische beheersystemen. Denk aan grote oren en zweetklieren.
Het lijkt dus redelijk om aan te nemen dat evolutie een manier heeft gevonden waarop moleculaire machines hun temperatuur kunnen beheersen.
Vandaag hebben Hans Briegel van de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk en Sandu Popescu van de Universiteit van Bristol in het VK een fascinerende suggestie gedaan voor hoe zo'n thermisch beheersysteem zou kunnen werken.
De machines waarop ze focussen zijn enzymen, machines die bepaalde biochemische reacties katalyseren.
In wezen zijn enzymen moleculaire klemmen. Ze grijpen specifieke biomoleculen vast en houden ze stil. Dit vermindert de activeringsenergie van welk chemisch proces dan ook waar de biomoleculen bij betrokken zijn, waardoor de reactiesnelheid toeneemt.
Maar de werking van enzymen is extreem temperatuurgevoelig. De snelheid van de reacties die ze katalyseren, neemt langzaam toe met de temperatuur totdat deze een maximum bereikt en daalt dan dramatisch.
Op mechanisch niveau verhoogt de extra warmte de hoeveelheid trillingen in de moleculaire structuur van de machine. Het specifieke probleem voor een enzym zijn de trillingen in de reeks moleculaire kaken die het gebruikt om biomoleculen vast te pakken (ook wel de activeringsplaats genoemd).
Naarmate de temperatuur stijgt, nemen de trillingen in deze kaken toe totdat ze niet langer in staat zijn om de biomoleculen te grijpen waarvoor ze zijn ontworpen. Dat is wanneer de reactiesnelheid dramatisch daalt.
Briegel en Popescu zeggen dat het enorm voordelig zou zijn als een enzym deze kaken zou kunnen koelen. En ze brengen een manier in kaart waarop dit kan worden gedaan, die ze conformationele koeling noemen.
Het idee is dat een kleine verandering in de vorm van het enzym de kaken tijdelijk verstijft. Dit heeft tot gevolg dat de trillingen in de kaken en dus hun temperatuur worden verminderd. Wanneer de afgekoelde kaken ontspannen, kunnen ze de betreffende biomoleculen weer vastgrijpen. In ieder geval totdat ze weer warm worden.
(De sleutel is dat de kaken sneller moeten ontspannen dan de snelheid waarmee ze opwarmen, anders is er geen voordeel.)
Natuurlijk heeft elke koelkast een stroombron nodig en Briegel en Popescu suggereren dat dit kan worden geleverd door een ander molecuul, zoals ATP.
Het leuke aan deze suggestie is dat een heel eenvoudig experiment het gemakkelijk zou kunnen testen. Meet eenvoudig de temperatuurafhankelijkheid van de snelheid van enzymatische reactie met en zonder de aanwezigheid van ATP.
Als ATP echt de energie levert om het enzym af te koelen, dan zouden de twee curven verschillend moeten zijn.
Dat is een experiment dat een ondernemende afstudeerder morgen zou kunnen doen.
Laat ons weten hoe het met je gaat.
Referentie: arxiv.org/abs/0912.2365 : Intramoleculaire koeling in enzymen