Waarom zijn enzymen zo groot?

dream

[Terug naar deel 1]

Deel II

Wat kunnen we nog meer leren van het videofragment (deel 1), waarin Sadoway uitlegt dat deeltjes van circa 25 °C te weinig energie hebben om biochemische reacties mogelijk te maken? Onderaan de pagina is voor de geïnteresseerde overigens nog een andere video met uitleg over deze Maxwell-Boltzmann temperatuur distributie te vinden.

Het variëren van de  temperatuur vertoont geen – simpel –  lineair verband met de energie van  het aantal deeltjes. Een kleine verhoging van de temperatuur kan leiden tot veel meer warme deeltjes die nu  “opeens”  wel voldoende botsingsenergie hebben om reacties mogelijk te maken en vice versa. Dat hadden we natuurlijk wel ergens kunnen aanvoelen, bijvoorbeeld als we even denken aan het ontwaken van al het leven in het voorjaar, of wanneer klimaatonderzoekers ons waarschuwen dat zelfs kleine variaties in de temperatuur grote gevolgen hebben voor het leven op onze planeet, of als we ziek zijn en zelf de gevolgen van kleine temperatuur schommelingen ervaren. Maar hoe maken we nu een brug naar brood?

Brooddeeg leeft. Dat komt doordat er levende cellen in het deeg zitten (gist en bacteriën) en doordat gluten en zetmeel in combinatie met water een vlies vormen waar het CO2 dat deze cellen produceren in opgesloten raakt. Dat zijn een soort longblaasjes die het deeg langzaam doen opzwellen zodra de CO2 druk door fermentatie toeneemt. Het deeg kan ingedeukt worden, veert weer terug, ruikt lekker en wordt in zekere zin “aaibaar”. In dit levende lichaam vinden complexe biochemische reacties plaats die net als alle andere reacties in biologische systemen sterk van de temperatuur afhangen. Met een beetje fantasie vertoont het maken van brood dan ook overeenkomsten met de lente, actuele klimaatveranderingen en het wel en wee ons eigen lichaam. In de biochemische symfonie van het leven zijn alle moleculen belangrijk, maar sommige instrumenten spelen een sleutelrol.

Misschien heeft u zich ooit afgevraagd uit welke stof Shakespeare’s dromen zijn gemaakt? De kans is groot dat het enzymen zijn, grote moleculen die betekenisloze trillingen en botsingen richting geven en weten om te zetten in een chemisch “verhaal” . Enzymen spelen een sleutel rol in het leven en het zal u inmiddels niet verbazen dat ze daarom ook bij het brood van belang zijn. Enzymen zijn relatief grote eiwitten, een soort ingenieuze machines die helpen bij het breken en vormen van chemische bindingen. Ze bezitten specifieke zones voor het binden van moleculen en vervolgens helpen ze specifieke bindingen breken en vormen. Maar waar halen deze nanomachines nu hun energie vandaan?

Biochemische reacties gaan gepaard met botsingen tussen moleculen. Enzymen helpen bij het reguleren van deze botsingen door gebruik te maken van veel lagere energieën (kleiner dan 100 kj/mol) dan de energieën die door Sadoway (deel 1)genoemd zijn in het videofragment. Om deze reacties beter te begrijpen zouden we de bindingsenergieën van atomen moeten bespreken, de speciale vorm van enzymen en nog veel meer, maar dat voert veel te ver. Maar laten we hier opgeven en  nog even proberen door te graven. Tenslotte willen we hier de Maxwell-Boltzmann distributie door ons deeg “kneden”. Bij het doorgraven is het zinvol om soms ook even achterover te leunen en vanuit een meer filosofisch perpectief naar ons onderwerp te kijken. Tijd om ook even te relativeren.

Wij maken abstracte modellen om zo het onzichtbare zichtbaar te maken. Wat een atoom, klein molecuul of groot enzym precies is kunnen we alleen via abstracte modellen verklaren. Ook wetenschap is in zekere zin een fata morgana, maar wel een met uitzonderlijk goed voorspelende waarde.

De soort en sterkte van bindingen die atomen onderling aangaan variëren, sommige bindingen zijn sterk, andere relatief zwak. Deze diversiteit aan bindingsenergieën speelt in de biochemie een belangrijke rol, waarbij enzymen in staat zijn om de rijkelijk aanwezige zwakke krachten te “bundelen” en de “onprettige” veranderingen (breken van een binding) die met een reactie gepaard gaan te stabiliseren en daarmee het verloop van de reactie te regisseren. Enzymen zijn zoals gezegd grote moleculen die veel zwakke bindingen kunnen aangaan en “slim” specifieke bindingen van een target molecuul kunnen breken en vormen. De zogenaamde activatie-energie (breken van een binding) voor deze reacties wordt op deze manier stapsgewijs door het enzym verlaagd en daardoor kunnen “opeens” heel veel meer  deeltje, nu ook met minder energie, aan de definitieve reactie deelnemen. Enzymen zorgen dat reacties veel sneller verlopen, soms een miljoen keer (en soms nog meer) sneller. Zonder enzymen zou er bij kamertemperatuur (circa 2.5 kj/mol of  1/40 ev, 25 °C,  zie video) chemisch gezien nauwelijks iets te beleven zijn.

De asymmetrische Maxwell-Boltzmann distributie heeft – bij kamer temperatuur – een bijzondere energiebalans die opmerkelijk goed lijkt te passen bij scenario’s waarin zowel lage en hoge energieën het pad van de reactie bepalen. Bedenk dat te veel warme deeltjes (hoge temperaturen) deze balans juist nadelig zouden verstoren. In plaats van complexiteit te genereren, waar de organische chemie in uitblinkt, worden bij hoge temperaturen door hevige botsingen die complexiteit juist afgebroken. Het is goed om hier even bij stil te staan. De magie van deze distributie zit hem in de verhouding (evenwicht) tussen veel koude en relatief weinig warme deeltjes, die de enzymen in staat stelt om ondanks of misschien wel dankzij de beperkte thermische energie het leven richting en snelheid te geven! Zou dit de onderliggende reden zijn waarom enzymen zo veel groter zijn in verhouding tot de reactanten? Zoals Saldoway bewogen in de video stelt: Hoe haal je bij kamer temperatuur voldoende energie uit de omgeving om een reactie mogelijk te maken?  Zou het feit dat enzymen zo groot zijn verband hebben met de vorm van de Maxwell-Boltzmann distributie?  Met andere woorden dat hun omvang en vorm ze instaat stelt om de relatief veel zwakke energieën, die in overvloed aanwezig zijn in water bij gematigde temperaturen, op te tellen en zo de energie die dan nog nodig is voor de uiteindelijke reactie te verlagen?

Vanuit dat perspectief zouden we enzymen als volgt ook kunnen definiëren. Enzymen zijn grote moleculen, waarbij hun vorm en omvang ze staat stelt de in overvloed aanwezige zwakke energieën in een waterige omgeving bij gematigde temperaturen te oogsten, deze energieën op te tellen en naar de actieve site in het enzym te leiden om zo een specifieke binding in een ander molecuul (target molecuul) te destabiliseren zodat uiteindelijk minder energie nodig is om deze binding te verbreken en een nieuwe binding te vormen. Tja, dat zit dus allemaal onder ons logo…..

Genoeg 🙂
We zoomen weer uit. Terug naar het tastbare.

Bij het maken van brood reis je door een temperatuur-landschap; koud, warm en heet. Telkens domineren weer andere reacties. Zodra we het brood in de oven laden verlaten we de comfortzone van de biochemie. Enzymen raken hun bijzondere vorm kwijt en worden gedeactiveerd, bacteriën en gisten sterven. In het brood (kruim) worden de reacties begrensd door het kookpunt en bijbehorende verdamping van water (100 °C). De uitdrogende korst bereikt daarentegen veel hogere temperaturen. Zodra we de 110 °C voorbij zijn is er voldoende thermische energie om suikers in de korst onderling te laten reageren. Deze suikers zijn bij 165 °C grotendeels gekarameliseerd. Boven de 140 °C beginnen deze suikers ook met eiwitfragmenten te  reageren, de Maillard-reactie. Deze reacties vinden plaats tot ongeveer 180 °C. Boven de 200 °C worden de nieuw gevormde producten al weer voor een deel thermisch afgebroken door de zogenaamde pyrolyse reacties. Brood dat op 235 °C wordt gebakken heeft een korst die samengesteld is uit deze reacties, waarvan we de temperaturen herkennen uit de recepten in onze kookboeken.

Brood is bijzonder omdat het eenvoudig lijkt, maar niet zo eenvoudig is als het maken van soep of het roosteren van vlees. Brood maken is in ieder geval geen “piece of cake”. Naast smaak gaat het bereiden van brood ook over vorm, over leven, water, vuur en balans. Misschien herinnert het bereiden van brood ons daardoor op de een of andere manier aan de wonderbaarlijke chemie van het leven waar enzymen een centrale rol innemen. Meer dan genoeg redenen om met veel plezier te blijven experimenteren met het afbakken van ons universum.

Jechiam Gural
Baking Lab Amsterdam