Южнокорейские ученые впервые отследили и зафиксировали катализ одного из ключевых ферментов, участвующих в процессах, протекающих в организме человека. Специалистам удалось получить структурные данные на протяжении всего цикла реакции и последовательно реконструировать их, создавая своего рода молекулярный фильм в замедленной съемке. Это позволило визуализировать и детально показать этапы сложного химического процесса.
Физики использовали инновационную технологию для более детального исследования роли молекул воды в ферментативном катализе карбоангидразы. Это в основном цинксодержащий металлофермент, повсеместно встречающийся у человека, животных и фотосинтезирующих организмов, а также у некоторых нефотосинтезирующих бактерий. Класс карбоангидраз регулирует, в частности, уровень углекислого газа (CO2) в организме и считается одним из самых каталитически эффективных известных ферментов.
Изучая динамические характеристики ферментов, исследователи неоднократно подчеркивали, что они тесно связаны с изменениями формы макромолекулы (часто вызываемыми факторами внешней среды) и перемещением молекул воды внутри и вблизи активного центра фермента.
В ходе исследования специалисты из Ульсанского национального института науки и технологий (Южная Корея) рассматривали воду как ключевой и активный элемент центра фермента, поскольку ее молекулы играют важную роль в обеспечении его стабильности, структуры и динамики. Также молекулы воды существенно влияют на процессы катализа и молекулярного распознавания.
Долгое время оставалось мало информации о прямой связи между структурой и динамикой воды и ферментативными процессами, такими как связывание субстрата, стабилизация переходного состояния и высвобождение продукта. Из-за высокой скорости промежуточных этапов ни одна ферментативная реакция не была достаточно детально изучена. Белковый катализатор, карбоангидраза, обеспечивает преобразование углекислого газа (CO2) в ионы бикарбоната (HCO3), растворимые в крови, со скоростью, превышающую миллион раз в секунду.
Используя кинетический захват, авторы исследования зафиксировали каталитические промежуточные продукты, начиная от связывания CO2 и заканчивая высвобождением бикарбоната, на временных интервалах, составляющих менее одной наносекунды. Для этого они применили комбинацию ультрафиолетового фотолиза – метода разрушения молекул под воздействием ультрафиолетового излучения – и рентгеноструктурного анализа кристаллов, полученных при различных температурах. Сначала фермент охлаждали до -183 градусов Цельсия, затем добавляли светочувствительный субстрат (3NPA), который обеспечивал поступление углекислого газа в активный центр фермента при облучении ультрафиолетом. После этого температуру постепенно повышали до -73 градусов Цельсия, фиксируя структурные изменения на каждом этапе.
На основе полученных данных был создан первый молекулярный фильм, демонстрирующий, как перегруппировка и замена молекул воды в активном центре фермента непосредственно влияют на скорость высвобождения продукта, например, бикарбоната. В статье подчеркивается, что такое детальное изучение взаимодействия ферментов и воды может не только расширить представления о молекулярной эволюции, но и стимулировать разработку новых лекарственных средств и биокатализаторов.
Научная работа опубликована в журнале Nature Communications.