Архив номеров НиТ

Химики смогут предсказывать каталитическую активность ферментов

Коллектив химиков из Университета Южной Калифорнии, руководство над которыми взял на себя Арье Уоршел (Arieh Warshel), разработал способ, при помощи которого становится возможным предсказать каталитическую активность различных ферментов. Это позволит создавать ферменты, обладающие необходимыми свойствами для промышленного производства и для получения искусственных клеток.

Ферменты участвуют в большинстве биологических процессов, таких как получение и перенос энергии, транскрипция и трансляция генетического материала, а также передача сигналов. Ферменты играют роль биологических катализаторов, осуществляя ускорение биохимических реакций на много порядков и обеспечивая правильное функционирование живых клеток. Но важнейшие причины каталитической мощности ферментов до настоящего времени не были выяснены.

Метод, объединяющий в себе классическую и квантовую физику, способствует выяснению того, что именно позволяет протекать ферментативной реакции. Данный подход разработан на модели комплексных химических систем, за которую в 2013 году Уоршел был удостоен Нобелевской премии. Для протекания реакции необходимо достичь определённое уровня свободной энергии, на которую, в свою очередь, влияют физические факторы. Значения данных факторов способны меняться в широких пределах из-за чего происходит понижение или увеличение свободной энергии. Таким образом происходит создание своеобразного ландшафта, в котором вершины холмиков соответствуют максимумам энергии, а долины — минимумам.

Для осуществления проверки, какие именно факторы имеют значение химики смоделировали влияние конформационных изменений ферментов (изменения их геометрической структуры) и их физические и химические свойства. Для сравнения учёные исследовали течение химических реакций без участия ферментов. Было выяснено, что главнейшим фактором, который способствует каталитической активности ферментов, является разность потенциалов между реагентами и продуктами реакции.

Данная модель помогает предсказать то, какими должны являться ферменты, чтобы достичь подходящей разности потенциалов для протекания реакции. Так можно адаптировать белки для катализа химических и биохимических процессов в промышленных масштабах.

Источник