/Waarom zijn enzymen zo groot?

Waarom zijn enzymen zo groot?

[Terug naar deel 1]

Deel II

We kunnen 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 geïnteresseerden overigens nog een andere video met uitleg over deze Maxwell-Boltzmann temperatuur distributie te vinden.

In de lente maakt het leven een sprongetje

Het variëren van de temperatuur vertoont geen – simpel –  lineair verband met de energie van de 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. De levende cellen in het deeg (gist en bacteriën) produceren een gas (CO2) die opgesloten raakt in een vlies die door de combinatie van gluten, zetmeel en water gevormd wordt. Dat zijn een soort longblaasjes (deegblaasjes) 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 lichaam vinden complexe biochemische reacties plaats die net als alle andere reacties in biologische systemen sterk aan de temperatuur afhangen. Met een beetje fantasie vertoont het maken van brood dan ook overeenkomsten met de lente, actuele klimaatveranderingen en ons eigen lichaam. In de biochemische symfonie van het leven zijn alle moleculen belangrijk, maar sommige hebben een hoofdrol.

Misschien heeft u zich ooit afgevraagd uit welke stof Shakespeare’s dromen zijn gemaakt? De kans is groot dat het enzymen zijn, moleculen die betekenisloze trillingen en botsingen richting geven en weten om te zetten in een chemisch “verhaal” dat betekenis krijgt. Enzymen spelen een sleutel rol in het leven en het zal u inmiddels niet verbazen dat ze voor het maken van brood belangrijk zijn. Enzymen zijn relatief grote eiwitten, een soort ingenieuze machines die helpen bij het breken en vormen van chemische bindingen. Ze bezitten specifieke zones (active site) voor het binden van andere moleculen en vervolgens helpen ze bij het breken en vormen van verbindingen. Op die manier veranderen ze de vorm van moleculen en zo geven ze letterijk vorm en functie aan het leven. Maar waar halen deze nanomachines nu precies 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 (video in 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. Dat voert echter veel te ver. Toch moeten we nog even doorgraven. Tenslotte moet de Maxwell-Boltzmann distributie door ons deeg ‘gekneed’ worden. Even kort relativeren voordat we verder gaan.

Ook wetenschap is een fata morgana, maar wel met een uitzonderlijk goed voorspellende waarde.

Wij maken abstracte modellen om zo het onzichtbare te begrijpen. Wat een atoom, klein molecuul of groot enzym precies is kunnen we alleen via abstracte modellen proberen vorm te geven. Ook de wetenschap is een fata morgana, maar wel een met een uitzonderlijk goed voorspellende 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 “moeilijke” 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 deeltjes – nu ook met minder energie –  aan de reactie deelnemen. Enzymen zorgen dat reacties veel sneller verlopen, soms een miljoen keer sneller. Zonder enzymen zou er bij kamertemperatuur (circa 2.5 kj/mol of  1/40 ev, 25 °C,  zie video Sadoway, deel 1) chemisch gezien niets te beleven zijn.

De asymmetrische Maxwell-Boltzmann distributie vertoont – 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. Goed om hier even bij stil te staan. De “magie” van deze distributie zit dus 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 geeft! Zou dit de onderliggende reden zijn waarom enzymen zo veel groter zijn in verhouding tot de reactanten? Zoals Saldoway 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, hun omvang en vorm ze instaat stellen om de relatief veel zwakkere energieën, die in overvloed aanwezig zijn in water bij gematigde temperaturen, te oogsten en zo de energie die nodig is voor de reactie slim bij elkaar te brengen?

Vanuit dit energieperspectief zouden we kunnen stellen dat de vorm en omvang van enzymen – bij optimaal gematigde temperaturen –  ze instaat stellen om zwakke energieën te oogsten en vervolgens deze naar de actieve zone (active site) in het enzym te leiden om zo een specifieke binding in een ander molecuul (target molecuul) te destabiliseren.  Hierdoor is uiteindelijk minder energie nodig om deze binding te verbreken en een nieuwe binding te vormen.  Het verhaal van ons logo!
Meer weten:

For enzymes the bigger is better.

Genoeg 🙂
Uitzoomen. Terug naar de realiteit.

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. Ook sterven bacteriën en gisten. 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 koken 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, 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 zoals we hierboven hebben kunnen lezen 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