Enzymy. Nezbytní pomocníci v lidském těle z pohledu výpočetní chemie

Jen málokterá chemická reakce v organismu se obejde bez enzymů. Dokážou v molekulách rozštěpit vazby, které by se rozbít neměly. Jak to dělají? Nad složitými procesy uvnitř lidského těla odborníci bádají i bez laboratorního vybavení, fyzikální chemik Martin Srnec je studuje pomocí kvantových výpočtů. O své teorii asynchronicity vypráví v aktuálním čísle časopisu A / Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR.

Bohové se rozhodli potrestat bájného Sisyfa za jeho četné prohřešky. Na věky tak musí vláčet na svých bedrech obrovský balvan na vysoký kopec. Trest spočívá v tom, že jej tam nikdy nedonese. Těsně pod vrcholem znaven vyčerpáním pokaždé kámen upustí, takže se k úpatí hory svalí zpět. Starořecká legenda o posmrtném utrpení zakladatele Korintu je celkem známá. Napadlo vás ale někdy, co je vlastně na druhé straně kopce? Co by se stalo, kdyby Sisyfos kámen konečně převalil přes vrchol? A počkat… jak to souvisí s enzymy?

Každá chemická reakce má určitý energetický práh, který je třeba překročit, aby se rozběhla. Někdy stačí málo – pouhá jiskra například zapálí střelný prach. Může to být ale i elektřina, plamen či výboj (v benzinovém motoru), mnohdy proces spustí jen teplo nebo zvýšený tlak (v naftovém motoru).

Právě energetickou bariéru si můžeme představit jako kopec, do kterého je nutné vytlačit kámen. Jakmile se to podaří, balvan se už na druhou stranu skutálí sám – chemická reakce proběhne a výsledkem jsou určité produkty. Každá reakce má tuto bariéru jinak vysoko. Některé ji mají nízko a stačí je popostrčit jen maličko jako zmíněný střelný prach. Jiné mají „laťku“ vysoko a k jejímu překonání se musí vynaložit více „síly“, podaří se to až díky dlouhému varu nebo vysoké teplotě v tavné peci či velkému tlaku.

Chemickou reakci je potřeba něčím nastartovat. Obrazně řečeno – je potřeba pokaždé vytlačit kámen na vrcholek kopce, aby se pak už sám skutálel dolů.

Jak to chodí v přírodě
Na buněčné úrovni se neustále odehrává mnoho chemických reakcí. Bez nich by naše těla nefungovala, neprobíhaly by ani jednoduché procesy za pomoci bakterií, jako je například kvašení. Příroda však musela být poměrně vynalézavá, aby našla způsob, jak chemické reakce uskutečňovat, a přitom organismy nezabít.

Nebylo by zrovna praktické, kdyby při reakcích v živých organismech docházelo k hoření nebo bylo potřeba zahřátí na bod varu. Víme přece, že lidské tělo funguje správně v rozmezí jen několika málo stupňů Celsia. Jak to tedy udělat? Jak snížit Sisyfův kopec, aby byl co nejnižší? Příroda odpověď našla – vynalezla enzymy.

Právě tyto molekuly dokážou energetickou bariéru snížit, a dovolit tak reakcím, aby se mohly uskutečnit. Ale nejen to. Umějí zařídit, aby některé reakce proběhly s nižší energetickou „zátěží“ (tj. aby k nim vůbec došlo) a skončily s kýženým výsledkem. Vlastně dokážou s kopcem obratně manipulovat. Sníží jeho výšku, a dokonce zařídí, aby se na druhé straně Sisyfův kámen skutálel přesně vytčenou cestou k cíli.

Chemické reakce – zejména ty složitější – mohou vést k různým produktům. Jinými slovy, z výchozích látek může vzniknout nikoli jedna konkrétní látka, ale klidně i tři různé. Většinou vyhraje produkt, jehož energie je nejnižší. Jako by si kámen našel tu cestu z kopce, která povede nejhlouběji do údolí. Výsledek je logický a odpovídá běžným fyzikálním principům. Když spustíte míč z kopce, taky se nezastaví sám od sebe uprostřed cesty dolů s tím, „že už to stačí“.

Někdy ale organismus potřebuje, aby produktem byla jiná látka než ta s nejnižší energií – aby se z kopce kámen nedokutálel až na nejnižší místo, ale zastavil se skutečně dřív (jinde). I to enzymy zařídí. Ale jak přesně? Ani vědci neznají stoprocentní odpověď. Do skládačky však přidal další důležitý střípek Martin Srnec z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR.

Martin Srnec z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR

Co vše hraje roli
„Na výšce energetické bariéry se podílí několik faktorů. Některé vědci znají – tunelový jev, takzvané elektronové a sterické příspěvky, sílu vazby mezi vodíkem a uhlíkem, afinitu katalyzátoru k atomu vodíku… My jsme přidali další, dosud neznámý jev a nazvali ho asynchronicita,“ říká Martin Srnec, který nejen za tento objev v roce 2020 obdržel Cenu Učené společnosti ČR. Enzymy totiž dokážou vedle již zmíněných manipulací s chemickými reakcemi ještě další věc zdánlivě „odporující fyzikálním zákonům“.

V živých organismech enzymy pracují s organickými molekulami – tedy sloučeninami, jejichž kostru tvoří uhlík a vodík. Když dochází k chemické reakci, někdy je nezbytné vodík z vazby odstřihnout, přesněji řečeno vazbu rozštěpit. Tím se otevře cesta k různým přeměnám dané molekuly.

Z logiky věci by se měla v molekule rozštěpit nejslabší vazba. Podobně jako by pod náporem silného větru jako první odpadla z plotu nejméně přišroubovaná plaňka. Jenže některé enzymy dokážou cíleně vybrat vazbu jinou – takovou, jakou organismus pro danou konkrétní reakci potřebuje. Přesto, že to není energeticky nejvýhodnější. Jako by enzym uměl nejslabší plaňku ochránit a vítr nasměrovat na jinou.

Právě tuhle skutečnost nedokázali vědci dosud vysvětlit. Až Martin Srnec se svým týmem přišel s nápadem asynchronicity. Nepotřeboval k tomu laboratorní vybavení ani elektronové mikroskopy. Je výpočetní chemik, pracuje tedy hlavně s počítačem a kvantovými výpočty. Ale vraťme se k nápadu, který má velký ohlas i v zahraničních odborných kruzích. Jak vysvětlit onu záhadu se štěpením (ne)správné vazby?

Radikál
Z hodin chemie si možná vzpomenete na pojmy ion a radikál. Pravda, druhé slovo jsme daleko častěji zvyklí slýchat spíše v souvislosti s terorismem, ale donedávna se kromě chemie skloňovalo ještě při debatách o zdravé výživě – přijímat ve stravě antioxidanty jako ochranu proti volným radikálům doporučoval a doporučuje kdekdo. Nic proti tomu. Nám se to hodí jako příklad pro vysvětlení funkce některých enzymů.

V mnohých chemických reakcích vystupují v hlavních rolích ionty – nabité částice. Třeba obyčejná kuchyňská sůl je po rozpuštění ve vodě spíše směsí kladných (Na+) a záporných (Cl-) iontů než pevně spojených molekul. Také v organické chemii se při odtržení vodíku z molekuly většinou odtrhne kladně nabitý vodíkový ion (H+).

Iontová krystalová mřížka chloridu sodného

Ti, kdo dávali v hodinách chemie pozor a zapamatovali si více než pár zkratek do křížovek, vědí, že vodík je prvním prvkem periodické soustavy, nejjednodušším prvkem vůbec. A jako takový jej tvoří jen proton a elektron. Protože kladný ion získáme odtržením elektronu, vodíkový ion H+ není nic jiného než samotný proton. Prostě volné jádro o jednom protonu. V chemii je velmi častým účastníkem různých reakcí. Nuže, pokud z organické molekuly odstraníme vodíkový ion H+, odtrháváme z ní vlastně jen jeden proton, nic víc. Všechny elektrony v molekule zůstávají. Ne tak ale v našem případě.

V něm totiž nedochází k odtržení iontu H+, ale celého vodíkového atomu. Tedy nejen protonového jádra, ale i elektronu. Jeden by řekl, že to musí vodík potěšit, když se konečně odtrhává kompletní, nikoli jen jeho protonová část, ale opak je pravdou. Vznikne právě onen radikál z původní molekuly, která do reakce vstupuje. Radikálem ovšem nechce zůstat a enzym velmi obratně zařídí jeho přeměnu na finální produkt.

Nápad pro novou teorii
Martin Srnec si uvědomil, že v případě trhání atomu vodíku vlastně probíhají dva jevy naráz a přitom se lze na každý dívat zvlášť. Jednak se odtrhuje proton H+ (chtělo by se říci „jako vždy“). A jednak elektron. Obě akce jsou poháněny odlišnými silami či principy. Jedna je otázkou tzv. acidobazického principu, druhá oxidačně-redukčního. „Tyto vlastnosti lze velmi jednoduše počítat, ale i měřit, což umožňuje snadné využití našeho modelu jak experimentálními, tak i teoretickými chemiky,“ vysvětluje vědec.

Dokážeme-li oba faktory vypočítat a zkombinovat, spojí se ve faktor asynchronicity… Tak se dá pohlížet na každou vazbu C–H v molekule a je možné určit, která je touto optikou (tedy nikoli z pohledu „tradiční chemie“) nejnáchylnější ke štěpení.

Potvrdily to jak laboratorní experimenty, tak další výpočty. Martin Srnec s kolegy tím objasnil, proč konkrétní enzym umí štěpit jinou než energeticky nejslabší vazbu. A také doufá, že celá teorie, jakmile bude dále rozpracována, bude sloužit chemikům i do budoucna. Ačkoli jde o základní výzkum, mohl by nalézt pozitivní odezvu i v průmyslu. Hlavně při vývoji nových syntetických postupů či vývoji katalyzátorů, které by zefektivnily různé chemické reakce. Třeba produkci metanolu z metanu.

Při rozvíjení teorie asynchronicity ale vědce ještě čeká mnoho práce. „Každá slušná teorie musí totiž nejen popisovat dobře pozorovanou skutečnost, ale také dávat přesné předpovědi,“ říká Martin Srnec. Jinými slovy, pokud teorie asynchronicity ve vědeckém světě uspěje, bude umět nejen vysvětlit, proč enzymový Sisyfos dokáže kámen převalit na druhou stranu, ale také předpovědět, kudy se kámen na druhé straně kopce povalí a kde skončí. A to vůbec není málo.

Celý článek i další zajímavé texty najdete v aktuálním čísle časopisu A /Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR.

4/2020 (verze k listování)
4/2020 (verze ke stažení)

Připravil: Viktor Černoch, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock; Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Přečtěte si také

• Krotitelé molekul: vědci objevili, jak zvýšit kapacitu molekulárních čipů
• Od vynálezu k praxi. Firma vyzkouší metodu jednodušší výroby metanolu
• Badatelé představili 3D materiály pro rekonstrukční a plastickou chirurgii
• Proč se Země a Venuše vyvinuly odlišně? Napoví mise, jíž se účastní i Češi
• Nová zobrazovací metoda pomůže rychleji identifikovat například rakovinné tkáně
• AMULET se zaměří na vývoj multiškálových materiálů, získal téměř půl miliardy
• Počítačový model ucha: čeští vědci vyvinuli unikátní nástroj ke zkoumání sluchu
• Čeští vědci odhalili π-díru v molekulách, potvrdili tak dekády známou teorii
• Česká kosmická mise SLAVIA chce pátrat po pokladech vesmíru
• Díky novému objevu týmu Pavla Hobzy by se mohly přepisovat učebnice chemie