Ученые применили инновационную методику, чтобы раскрыть ключевую роль молекул воды в работе фермента карбоангидразы. Этот цинксодержащий фермент широко распространен у человека, животных, растений и даже некоторых бактерий. Карбоангидразы регулируют уровень углекислого газа (CO2) в организме и входят в число самых эффективных катализаторов в природе.
Вода – активный участник ферментативных процессов
Исследователи давно знают, что динамика ферментов тесно связана с изменениями их формы и движением молекул воды в активном центре. Команда из Ульсанского национального института науки и технологий подчеркивает: вода – не просто среда, а неотъемлемый и активный компонент. Ее молекулы критически важны для стабильности, структуры, динамики ферментов, их каталитической функции и распознавания молекул.
Загадка скорости: от CO2 к бикарбонату
До сих пор оставалось малоизученным, как именно структура и движение воды влияют на ключевые этапы ферментативной реакции: связывание субстрата, стабилизацию переходного состояния и высвобождение продукта. Сложность изучения связана с невероятной скоростью этих процессов. Например, карбоангидраза преобразует углекислый газ (CO2) в бикарбонат-ионы (HCO3-) со скоростью свыше миллиона реакций в секунду!
Съемка молекулярного кино: методология прорыва
Чтобы запечатлеть столь быстрые события, ученые разработали уникальный подход. Они кинетически захватили промежуточные стадии катализа – от связывания CO2 до высвобождения бикарбоната – на временных интервалах короче наносекунды. Для этого они объединили ультрафиолетовый фотолиз (разрушение молекул УФ-светом) и рентгеноструктурный анализ кристаллов при разных температурах. Фермент сначала охлаждали до -183°C, затем вводили светочувствительный субстрат (3NPA), который под действием УФ-излучения высвобождал CO2 в активный центр. Температуру постепенно повышали до -73°C, фиксируя структурные изменения на каждом шаге.
Вода дирижирует скоростью реакции
Реконструкция полученных данных позволила создать первый в своем роде "молекулярный фильм". Он наглядно демонстрирует, как перестройка и замена молекул воды в активном центре карбоангидразы напрямую управляют скоростью высвобождения конечного продукта – бикарбоната.
Перспективы открытия: от эволюции до медицины
Это глубокое исследование взаимодействия ферментов и воды открывает захватывающие перспективы. Оно не только углубит наше понимание молекулярной эволюции, но и послужит мощным импульсом для разработки новых лекарств и создания высокоэффективных биокатализаторов будущего.
Источник: naked-science.ru
