Благодаря ферментам в живых организмах, в том числе в наших с вами, постоянно происходят тысячи и тысячи различных реакций и процессов. Ферменты — это белковые соединения и РНК, которые работают как катализаторы, ускоряя темп протекания и улучшая селективность химических реакций, но сами при этом не подвергаются постоянным изменениям. Являясь незаменимым компонентом земной жизни, ферменты вдобавок играют важную роль во множестве процессов в пищевой, фармацевтической, сельскохозяйственной и косметической промышленности.
Однако, несмотря на повсеместное распространение и важность, ферменты на сегодняшний день недостаточно хорошо изучены. В частности, учёные хотят знать, что делает активный центр фермента — похожую на карман область его молекулы, где происходят временное связывание субстрата и ускоренная химическая реакция, — таким эффективным. В то время как трёхмерные атомные структуры активных центров многих ферментов визуализированы и картированы, «невидимая» структура электрических полей внутри активного центра в основном неизвестна. Теоретически, эти электрические поля играют важную роль в формировании в активных центрах той самой среды, которая необходима для надёжного захвата молекул субстрата и быстрого преобразования их в новые молекулы.
Чтобы пролить свет на этот вопрос, исследователи из Стэнфорда (Stanford University) Чу Чжэн (Chu Zheng) и Юэчжи Мао (Yuezhi Mao) с коллегами разработали зонд для измерения и визуализации электрических полей внутри активного центра фермента. Статья об этом опубликована недавно в Nature Chemistry. Авторы сообщают, что информация об ориентации электрических полей в месте реакции может помочь в расчёте ключевых химических взаимодействий в активных центрах, что, в свою очередь, может привести к разработке эффективных синтетических ферментов для промышленности, а также значительно поспособствовать разработке новых лекарств.
«Мы разработали новый зонд, который может дать нам важную информацию о том, как электрические поля уникально ориентированы в ферментах, что, по нашему мнению, имеет фундаментальное значение для понимания их удивительной каталитической способности», — отметил Чу Чжэн.
«На базовом уровне мы пытаемся лучше понять, как работают ферменты, и в этом исследовании мы добавляем новое измерение, вводя ориентацию электрического поля, которая, как полагают, оказывает решающее влияние на каталитические функции ферментов», — добавил Юэчжи Мао.
Стэнфордская лаборатория профессора химии Стивена Дж. Боксера (Steven G. Boxer), в которой трудятся Чжэн и Мао, первой предложила концепцию интерпретации функциональности ферментов путём измерения электростатических взаимодействий, которые в больших биомолекулах особым образом организованы в трёх измерениях.
«Истоки удивительной функциональности ферментов — это общий вопрос, и он не только о биологическом катализе, но и о химическом, а это огромный бизнес, — поясняет профессор Боксер. — Примерно восемьдесят процентов всех химических веществ производится с использованием катализаторов, но то, что на самом деле отвечает за снижение количества энергии, необходимого для активации [реакции], не совсем понятно для большинства реакций. В основе нашей работы — исследование роли электрических полей в том, как функционируют ферменты».
Принцип работы зонда, разработанного командой из Стэнфорда, основан на методе колебательной штарковской спектроскопии. Этот метод позволяет измерять частоты колебаний в молекулах зонда на основе длины волн инфракрасного света, поглощаемого его химическими связями. Сдвиги в этих частотах раскрывают информацию о присутствующих электрических полях. В этом исследовании исследователи исследовали сдвиги в частотах колебаний химических связей в зонде, изготовленном из молекулы N-циклогексилформамида. Эта молекула действует как ингибитор, связываясь с активным центром фермента, известного как алкогольдегидрогеназа печени.
Чтобы визуализировать электрическое поле в активном центре алкогольдегидрогеназы, исследователи нацелились на две связи в N-циклогексилформамидном зонде, расположенным под углом, примерно, 120 градусов относительно друг от друга. Этот конкретный угол между двумя связями позволил исследователям измерить не только напряжённость электрического поля, но и его ориентацию в пространстве.
Примечательно что ориентация электрического поля в активном центре алкогольдегидрогеназы печени, как обнаружили учёные, значительно отличается от ориентации электрического поля в использованных в исследовании растворителях (воде, ацетоне и др.). Этот результат, по мнению авторов работы, подтверждает идею о том, что активные центры ферментов имеют то, что называют предорганизованной электростатической средой, в которой точное расположение аминокислот и создаваемая ими электростатическая среда помогают снизить энергию, необходимую для протекания химической реакции. Это может быть ключом к пониманию замечательной способности ферментов катализировать реакции.
С помощью разработанного исследователями из Стэнфорда зонда можно исследовать активные центры не только алкогольдегидрогеназы, но и многих других ферментов. Расширение знаний в этой области должно приблизить учёных и инженеров к возможности разрабатывать специализированные ферменты для самых разных конкретных задач с впечатляющими новыми характеристиками.
«Конечная цель этого исследования — дать нам возможность разработать ферменты, обладающие превосходными каталитическими свойствами для биомедицинского и промышленного применения, — сказал Чжэн. — Мы всё ещё далеки от этого, но мы добились определённого прогресса и сейчас лучше, чем раньше, понимаем, как работают ферменты».