Из физики и химии хорошо известно, что одинаковые заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Долгое время считалось, что этот принцип также применим, когда ферменты - биологические катализаторы во всех живых организмах - образуют или разрывают химические связи. Считалось, что ферменты размещают заряды в своих «активных центрах», где фактически происходят химические реакции, таким образом, что они отталкивают аналогичные заряды от других молекул вокруг себя. Эта концепция известна как «электростатический стресс». Например, если субстрат (вещество, на которое действует фермент) несет отрицательный заряд, фермент может использовать отрицательный заряд, чтобы «нагрузить» субстрат и, таким образом, облегчить реакцию. Однако новое исследование, проведенное Геттингенским университетом и Институтом междисциплинарных наук им. Макса Планка в Геттингене, теперь показало, что, вопреки ожиданиям, два одинаковых заряда не обязательно приводят к отталкиванию, но могут вызывать притяжение в ферментах. Результаты были опубликованы в журнале Nature Catalysis.
Команда исследователей исследовала хорошо известный фермент, который широко изучался и является хрестоматийным примером ферментативного катализа. Без фермента реакция протекает чрезвычайно медленно: на самом деле потребовалось бы 78 миллионов лет, чтобы половина субстрата прореагировала. Фермент ускоряет эту реакцию в 1017 раз, просто размещая отрицательные и положительные заряды в активном центре. Поскольку субстрат содержит отрицательно заряженную группу, которая отщепляется в виде углекислого газа, десятилетиями предполагалось, что отрицательные заряды фермента служат для стресса субстрата, который также отрицательно заряжен, и ускоряют реакцию. Однако этот гипотетический механизм остался недоказанным, поскольку структура реакции была слишком быстрой, чтобы ее можно было наблюдать.
Группе профессора Кая Титтманна из Геттингенского центра молекулярных биологических наук (GZMB) впервые удалось с помощью кристаллографии белков получить структурный снимок субстрата незадолго до химической реакции. Неожиданно отрицательные заряды фермента и субстрата не отталкивались друг от друга. Вместо этого у них был общий протон, который действовал как своего рода молекулярный клей в притягивающем взаимодействии. «Вопрос о том, являются ли два одинаковых заряда друзьями или врагами в контексте ферментативного катализа, уже давно вызывает споры в нашей области, и наше исследование показывает, что основные принципы работы ферментов все еще далеки от понимания», - говорит Титтманн.. Кристаллографические структуры были проанализированы квантовым химиком профессором Рикардо Мата и его командой из Института физической химии Геттингенского университета. «Дополнительный протон с положительным зарядом между двумя отрицательными зарядами не только используется для притяжения молекулы, участвующей в реакции, но и запускает каскад реакций переноса протона, которые еще больше ускоряют реакцию», - объясняет Мата.
«Мы считаем, что эти недавно описанные принципы ферментативного катализа помогут в разработке новых химических катализаторов», - говорит Титтманн. «Поскольку фермент, который мы исследовали, выделяет углекислый газ, самый важный парниковый газ, образующийся в результате деятельности человека, наши результаты могут помочь в разработке новых химических стратегий для фиксации углекислого газа».
В исследовании приняли участие ученые из Геттингенского центра молекулярных биологических наук (GZMB), факультетов биологии и психологии и химического факультета Геттингенского университета, а также Института междисциплинарных наук Макса Планка, Европейская лаборатория молекулярной биологии (EMBL) Гамбург и Университет Торонто. Издание посвящено памяти соавтора профессора Ульфа Дидерихсена, ушедшего из жизни в прошлом году.