Skip to main content

Odseki

Elektrostatika kot gonilna sila encimske katalize

Pri vsem, kar je znanega o encimih, v znanstveni skupnosti še vedno ni soglasja o izvoru njihove katalitske funkcije. Raziskave s tega izjemno pomembnega in fundamentalnega področja so osredotočene okrog dveh hipotez: (1) encimska kataliza izvira iz preorganizirane elektrostatike in (2) encimska kataliza izvira iz neravnotežnih dinamskih učinkov. Naše raziskave prinašajo pomembna spoznanja o encimski katalizi, ki govorijo močno v prid prvi hipotezi.

Slika 1. Z enostavnim vklapljanjem in izklapljanjem elektrostatske okolice pokažemo, da ima encimska elektrostatika katalitično vlogo po ključnih parametrih reaktivnosti in kinetike.

Razvili smo preprost, a učinkovit multiskalni model, s katerim smo proučevali vlogo elektrostatike v encimskih reakcijah. Model temelji na kvantno kemijskem opisu reaktivnega dela (aktivnega mesta encima s substratom), medtem ko za okolico uporabimo točkaste naboje, ki ustrezajo posameznim atomom v encimu. Tak opis je računsko razmeroma nezahteven, hkrati pa omogoča poljubne manipulacije z elektrostatsko okolico – med drugim jo lahko v celoti ali selektivno vključimo ali izključimo iz modela – in s tem nudi prvovrsten vpogled v vlogo elektrostatike v encimskih reakcijah.

Slika 2. Naš model elektrostatske okolice omogoča analizo prispevkov posameznih aminokislinskih preostankov h katalitični funkciji encima.

Z opisanim modelom smo obravnavali 100 reprezentativnih struktur izbrane encimske reakcije (katalitični korak oksidacije feniletilamina z encimom monoamino oksidaza A), ki ustrezajo stanju reaktantov, ter 100 struktur, ki ustrezajo prehodnemu stanju. Z vključevanjem in izključevanjem (»ON/OFF«) okoliških nabojev encima smo dokazali, da ima encimska elektrostatika velik katalitičen vpliv na vse parametre reaktivnosti in kinetike – med drugim zniža aktivacijsko pregrado za 14 kcal/mol, poveča količino prenesenega naboja za 40% ter zmanjša energijsko vrzel med reaktivnima orbitalama (HOMO-LUMO) za 20%. Analiza pokaže, da je za katalitično funkcijo encima ključno, da se v prehodnem stanju poveča dipolni moment reaktivnega dela, kakor tudi velikost električnega polja, s katerim encim deluje na aktivno mesto. Navedene ugotovitve se skladajo s hipotezo, da encimska kataliza izvira iz t.i. preorganizirane elektrostatike – struktura encima je evolucijsko optimizirana tako, da prek elektrostatskih interakcij stabilizira prehodno stanje, pri čemer se zniža aktivacijska pregrada, reakcija pa poteka znatno hitreje.

Slika 3. V prehodnem stanju je dipolni moment reaktivnega sistema večji in bolj poravnan z električnim poljem, ki ga ustvarja encimska okolica. Zaradi tega je prehodno stanje bolj stabilizirano kot stanje reaktantov in reakcijska bariera se zniža.

Cilj naših raziskav je ugotoviti, ali je odločilni katalitični vpliv elektrostatike univerzalna lastnost encimskih reakcij. V ta namen bomo z zgoraj opisanim modelom proučili večje število reakcij različnih encimov, substratov in reakcijskih mehanizmov.

Izbrane publikacije

1. PRAH, Alja, FRANČIŠKOVIĆ Eric, MAVRI Janez, STARE Jernej. Electrostatics as the driving force behind the catalytic function of the monoamine oxidase A enzyme confirmed by quantum computations. ACS Catalysis, 2019, 9, 1231-1240. LINK

2. PRAH Alja, MAVRI Janez, STARE Jernej. An electrostatic duel: subtle differences in the catalytic performance of monoamine oxidase A and B isoenzymes elucidated at the residue level using quantum computations. Phys Chem Chem Phys2021, vol 23. 26459-26467 LINK

Za slepe in slabovidne(CTRL+F2)
barva kontrasta
velikost besedila
označitev vsebine
povečava