Het is algemeen bekend in de natuurkunde en scheikunde dat gelijke ladingen elkaar afstoten, terwijl tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Lange tijd werd aangenomen dat dit principe ook van toepassing is wanneer enzymen - de biologische katalysatoren in alle levende organismen - chemische bindingen vormen of verbreken. Men dacht dat enzymen ladingen plaatsen in hun 'actieve centra', waar de chemische reacties daadwerkelijk plaatsvinden, op zo'n manier dat ze soortgelijke ladingen afstoten van de andere moleculen om hen heen. Dit concept staat bekend als "elektrostatische stress". Als het substraat (de stof waarop het enzym inwerkt) bijvoorbeeld een negatieve lading draagt, zou het enzym een ​​negatieve lading kunnen gebruiken om het substraat te "stressen" en zo de reactie te vergemakkelijken. Een nieuwe studie van de Universiteit van Göttingen en het Max Planck Instituut voor Multidisciplinaire Wetenschappen in Göttingen heeft nu echter aangetoond dat, in tegenstelling tot de verwachtingen, twee gelijke ladingen niet noodzakelijkerwijs leiden tot afstoting, maar aantrekking in enzymen kunnen veroorzaken. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Catalysis .

Het team onderzocht een bekend enzym dat uitgebreid is bestudeerd en een schoolvoorbeeld is van enzymkatalyse. Zonder het enzym is de reactie extreem traag:in feite zou het 78 miljoen jaar duren voordat de helft van het substraat reageert. Het enzym versnelt deze reactie met 10 ¹⁷ door simpelweg negatieve en positieve ladingen in het actieve centrum te plaatsen. Omdat het substraat een negatief geladen groep bevat die wordt afgesplitst als kooldioxide, werd decennialang aangenomen dat de negatieve ladingen van het enzym dienen om het substraat, dat ook negatief geladen is, te belasten en de reactie te versnellen. Dit hypothetische mechanisme bleef echter onbewezen omdat de structuur van de reactie te snel was om waar te nemen.

De groep van professor Kai Tittmann van het Göttingen Center for Molecular Biosciences (GZMB) is er nu voor het eerst in geslaagd om met eiwitkristallografie kort voor de chemische reactie een structurele momentopname van het substraat te maken. Onverwacht stoten de negatieve ladingen van enzym en substraat elkaar niet af. In plaats daarvan deelden ze een proton, dat werkte als een soort moleculaire lijm in een aantrekkelijke interactie. "De vraag of twee gelijke ladingen vrienden of vijanden zijn in de context van enzymkatalyse is al lang controversieel in ons vakgebied, en onze studie toont aan dat de basisprincipes van hoe enzymen werken nog lang niet worden begrepen", zegt Tittmann . De kristallografische structuren werden geanalyseerd door kwantumchemicus professor Ricardo Mata en zijn team van het Instituut voor Fysische Chemie van de Universiteit van Göttingen. "Het extra proton, dat een positieve lading heeft, tussen de twee negatieve ladingen, wordt niet alleen gebruikt om het molecuul dat bij de reactie betrokken is aan te trekken, maar veroorzaakt ook een cascade van protonoverdrachtsreacties die de reactie verder versnellen", legt Mata uit.

"Wij geloven dat deze nieuw beschreven principes van enzymkatalyse zullen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe chemische katalysatoren", zegt Tittmann. "Aangezien het enzym dat we hebben bestudeerd koolstofdioxide afgeeft, het belangrijkste broeikasgas dat door menselijke activiteiten wordt geproduceerd, kunnen onze resultaten helpen bij het ontwikkelen van nieuwe chemische strategieën voor de fixatie van koolstofdioxide." + Verder verkennen

Hybride enzymkatalysatoren gesynthetiseerd door een de novo benadering voor het uitbreiden van biokatalyse