Новое исследование, опубликованное группой химиков из Университета Британской Колумбии в Оканагане, заставляет серьёзно пересмотреть представления о работе ферментов и о том, как квантовые явления помогают важному ферменту контролировать необходимые, но опасные молекулы.
Ферменты — крошечные машины жизни
Ферменты, также известные как биокатализаторы, — это крошечные машины, стоящие за каждым процессом в живых организмах, — объясняет соавтор исследования Хоссейн Халилиан, докторант химического факультета имени Ирвинга К. Барбера. Ферменты создают молекулы, которые имеют решающее значение для жизни, а также расщепляют молекулы, которые вредны или ненужны нам.
Роль радикальных ферментов
Радикальные ферменты представляют собой важный класс биокатализаторов, которые генерируют чрезвычайно нестабильные молекулы, называемые свободными радикалами, для обеспечения широкого спектра биохимических реакций. Свободные радикалы часто воспринимаются негативно, объясняет Халилиан. Неконтролируемые свободные радикалы способствуют развитию серьёзных заболеваний, таких как рак, аутоиммунные и нейродегенеративные заболевания. Однако эти молекулы необходимы для многих биологических функций, и организм производит их в рамках нормальных клеточных функций.
Исследование в Journal of the American Chemical Society
Исследование, опубликованное на обложке журнала Journal of the American Chemical Society, показывает, что природа разработала умный способ контроля этих свободных радикалов — используя малоизвестные квантовые кулоновские взаимодействия для управления ими и предотвращения нежелательного повреждения.
Исследователи сосредоточились на ферменте под названием вайперин, который играет роль в иммунном ответе организма, производя и контролируя высокореактивные радикалы, которые Халилиан описывает как химические «свободные пушки».
«Хотя радикалы могут быть полезны, они также могут нанести серьёзный ущерб, если их не контролировать должным образом», — говорит он. «Нам давно известно, что вайперин использует радикалы для выполнения своей функции. Но мы не ожидали, что квантово-механические эффекты будут играть такую важную роль в сдерживании этого радикала».
Компьютерное моделирование и кулоновские взаимодействия
Халилиан, изучающий ферменты с помощью компьютерного моделирования, объясняет, что вайперин — это противовирусный фермент, активируемый как часть иммунного ответа на многие вирусы. Проводя компьютерные симуляции для изучения поведения вайперина, он обнаружил, что фермент использует ряд стратегий, включая ранее неизвестные квантовые кулоновские взаимодействия, чтобы контролировать радикалы.
Кулоновское взаимодействие — это электростатическая сила между положительными и отрицательными зарядами, подобная силе, создающей статическое электричество. Симуляции показывают, что квантовая версия этих взаимодействий является ключевой стратегией, используемой природой в радикальных ферментах для контроля свободных радикалов, которые они используют.
«Это было нечто неожиданное, — говорит Халилиан. — Радикал мягко удерживался на месте кулоновскими взаимодействиями, чтобы выполнять только желаемую реакцию. Подобно магнитному притяжению, этих сил достаточно, чтобы стабилизировать радикал ровно настолько, чтобы фермент мог выполнить свою работу».
Обычно радикалы любят перемещаться или быстро реагировать с другими веществами, но в этом случае что-то удерживало их на месте.
«Эти взаимодействия трудно увидеть и легко упустить из виду, — говорит Халилиан. — Но оказывается, что это имеет решающее значение. Без этого радикал был бы слишком нестабильным для управления. Это захватывающе, потому что впервые показано, что квантовые взаимодействия играют столь важную роль в ферменте».
Перспективы исследования
Это исследование доказывает, что квантовый кулоновский эффект, вероятно, является универсальной, но недооценённой характеристикой радикальных ферментов. Открытие может привести к новым способам разработки лекарств, ферментов и катализаторов.
Текущие исследования под руководством доктора Джино ДиЛабио изучают, применимо ли это явление к другим радикальным ферментам. Если это подтвердится, это может изменить традиционное понимание катализа и ускорить развитие биотехнологий.
«Многие современные лекарства основаны на реакциях с участием радикалов, — добавляет доктор ДиЛабио. — Если мы поймём, как природа контролирует их, мы сможем делать это — возможно, более безопасно или эффективно».
Предоставлено Университетом Британской Колумбии.