Novas descobertas sobre o poder das enzimas podem remodelar a bioquímica

Usando uma série de mais de 1.000 instantâneos de raios-X da mudança de forma de enzimas em ação, os pesquisadores da Universidade de Stanford iluminaram um dos grandes mistérios da vida-como as enzimas são capazes de acelerar as reações bioquímicas que sustentam a vida tão dramáticas. Suas descobertas podem afetar os campos que vão da ciência básica à descoberta de medicamentos e provocar uma repensação de como a ciência é ensinada na sala de aula.

“Quando digo que as enzimas aceleram as reações, quero dizer, como em um trilhão de trilhões de trilhões de vezes mais rápido para algumas reações”, observou o autor sênior do estudo, Dan Herschlag, professor de bioquímica da Faculdade de Medicina. “As enzimas são realmente pequenas máquinas notáveis, mas nossa compreensão de exatamente como elas funcionam estão faltando”.

Existem muitas idéias e teorias que fazem sentido, disse Herschlag, mas os bioquímicos não foram capazes de traduzir essas idéias em um entendimento específico das interações químicas e físicas responsáveis ​​pelas enormes taxas de reação das enzimas. Como resultado, os bioquímicos não têm um entendimento básico e, portanto, foram incapazes de prever enzima taxas ou projetar novas enzimas e a natureza, uma habilidade que seria impactante na indústria e na medicina.

“Usando esses conjuntos detalhados de estados enzimáticos, conseguimos quantificar e explicar rigorosamente em detalhes químicos quais características nas enzimas fornecem catálise e por quanto”, disse o primeiro autor do estudo, Siyuan Du, um estudante de doutorado no laboratório de Herschlag. Seu estudo aparece Na edição de 14 de fevereiro da revista Ciência.

“Nossa nova abordagem – e compreensão – nos inicia um caminho para poder projetar enzimas que rivalizam com os encontrados na natureza, embora este seja apenas o começo, e é necessário muito mais trabalho para atingir esse objetivo”, acrescentou Herschlag.

Entidades ilusórias

Até 1926, os bioquímicos estavam perplexos por reações exclusivas dos sistemas vivos, disputando -os de uma misteriosa “força very important”. Naquele ano, James Sumner isolou a primeira enzima conhecida, Urease, em um estudo vencedor do Prêmio Nobel. Desde então, os bioquímicos passaram o século passado tentando entender como as enzimas tornam as reações tão rápidas e tão específicas. Ou seja, eles descreveram como funcionam em palavras, não quantitativamente, e isso levou a debater e visões contrastantes sobre como elas funcionam.

Du e Herchlag construíram uma visão amplamente sustentada entre biofísicos de que as enzimas não são uma única estrutura. Em vez disso, eles se concentram no que chamam de “conjuntos”, mostrando como as enzimas se movem entre diferentes estados físicos – ou conjuntos conformacionais – durante a catálise.

“Todos os modelos existentes usam algum grau de posicionamento dos produtos químicos e grupos de produtos químicos na enzima que ajudam as reações”, explicou Herschlag. Mas o debate se enfureceu sobre quanto posicionamento é importante, sem nenhuma maneira de medi -lo sem essa nova abordagem de ‘Ensemble’ Herschlag e Du adotaram.

“As enzimas estão constantemente em movimento – em um conjunto de estados – e a taxa da reação é determinada pelas probabilidades dentro do conjunto”, elaborou Du.

Como sujeito, os autores escolheram uma família de enzimas conhecidas como Proteases de Serina, que é a família que mais bioquímica -didáticos usam para explicar processos enzimáticos aos bioquímicos iniciantes.

Explorando esses conjuntos e comparando estados de reação em enzimas a estados de enzimas não catalisadas em água pura, Herschlag e Du quebraram a catálise da enzima para as contribuições energéticas individuais no native preciso onde a enzima e a molécula alvo se encontram durante uma reação, conhecida como o website ativopara entender como eles trabalham quimicamente e fisicamente para acelerar as reações.

Energia potencial

Em um exemplo, a DU observou como o átomo de oxigênio de uma enzima no native ativo invade um átomo de carbono na molécula que está “atacando”. É um pouco como uma primavera enrolada, disse Du, mas advertiu contra uma interpretação muito literal, observando que as maneiras pelas quais os átomos e grupos de átomos individuais se movem diferem do movimento suave de uma mola.

“Há um pouco de tensão forçando esses átomos juntos e, quando a reação acontece, toda essa energia reprimida empurra a reação para a frente e leva a uma reação muito mais rápida”, disse ela.

A DU observou que essas estratégias catalíticas apareceram em todas as proteases serinas, como esperado, mas também em mais de 100 outras enzimas.

“A natureza evoluiu esses mecanismos independentemente em múltiplas famílias de enzimas – isso não é uma característica isolada, mas mecanismos catalíticos que foram descobertos várias vezes por natureza através da evolução. Isso significa que podemos copiar a natureza e usar este e outros recursos para projetar e construir novas enzimas “, disse Du.

Quanto ao que vem a seguir, Herschlag e Du disseram que a capacidade de explicar as habilidades extraordinárias desses importantes bioquímicas em termos químicos simples pode revolucionar como a bioquímica é ensinada e pode acelerar a nova ciência em vários campos importantes.

“Conclusão”, disse Herschlag, “precisamos entender melhor as enzimas antes que possamos esperar ter poder actual sobre eles e projetar os melhores”.