/Waarom zijn enzymen zo groot?

Waarom zijn enzymen zo groot?

[Terug naar deel 1]

 

Deel II –

In de lente maakt het leven een  Maxwell-Boltzmann  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 temperatuurschommelingen 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 deze biochemische symfonie spelen enzymen een belangrijke rol.

Misschien heb je je 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 sleutelrol in het leven en het zal je inmiddels niet verbazen dat ze voor het maken van brood belangrijk zijn. Enzymen zijn relatief grote eiwitten die een speciieke functie hebben. Het zijn ingenieuze machines die helpen bij het breken en vormen van chemische bindingen. Ze bezitten een specifiek gebied (active site) voor het binden van doel moleculen, die ze vervolgens kunnen veranderen. 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.

De soort en sterkte van bindingen die atomen onderling aangaan variëren.Sommige bindingen zijn sterk, andere zwak. Deze diversiteit aan bindingsenergieën speelt in de biochemie een belangrijke rol, waarbij enzymen in staat zijn om de aanwezige zwakke krachten te “bundelen” en in te zetten om veranderingen (het breken of vormen van een chemische binding) voor te bereiden en zo het verloop van de reactie te regisseren. De zogenaamde activatie-energie (breken of vormen van een binding) voor deze reacties wordt op deze manier stapsgewijs door het enzym verlaagd en daardoor kunnen “opeens”  deeltjes die niet voldoen aan de”juiste” energie nu wel aan een 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 a-symmetrische Maxwell-Boltzmann distributie vertoont -bij kamertemperatuur- een bijzondere balans die opmerkelijk goed lijkt te passen bij scenario’s waarin zowel lage en hoge energieën het pad van de reactie bepalen. Teveel warme deeltjes (hoge temperaturen) zouden deze balans nadelig verstoren. In plaats van complexiteit te bevorderen, waar de organische chemie in uitblinkt, worden bij hoge temperaturen die complexiteit doorgaans afgebroken. Het bijzondere aan deze temperatuur distributie is dus de gunstige verhouding (evenwicht) tussen de vele koude en relatief weinig warme deeltjes, die de enzymen in staat stelt om ondanks 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 in de video stelt: Hoe haal je bij kamertemperatuur 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?  

Meer lezen:

For enzymes the bigger is better.

Jechiam Gural