Avmystifierad entropi gör enzymreaktioner mer begripliga

En mer än 50-årig debatt inom forskarvärlden har handlat om hur enzymer kan göra kemiska reaktioner miljontals gånger snabbare. Entropi är ett nyckelbegrepp och en huvudteori är att enzymet genom sin form ”ordnar” de delar som ingår i en reaktion i rätt position. Forskning visar nu att den höga reaktionshastigheten har en annan förklaring.

”Entropi” är en lite svårfångad och mytomspunnen storhet med en central roll i alla typer av fysikaliska processer. Det används i beräkningar inom vitt spridda fält, om det så handlar om att förstå universums utveckling, öka en motors verkningsgrad, konstruera ett kylskåp eller optimera ett läkemedels effekt. I slutet av 1800-talet presenterade Ludwig Boltzmann en formel för att beräkna entropin.

Förenklat skulle man kunna beskriva entropi som en sorts energipotential, eller ett mått på graden av molekylär ordning hos ett system. Oordning är mer sannolikt än ordning i universum, den spontana riktningen i alla system går alltså mot oordning. Det betyder att det kostar energi att få ett system att ordna sig. I ett perfekt ordnat system, till exempel i en kristall vid absoluta nollpunkten, är entropin noll.

- En bild av detta kan vara ett möblerat rum. Det finns väldigt många fler sätt att skapa oordning i ett rum, än ordning, förklarar Johan Åqvist, professor i kemi, som lett en studie av entropin i enzymreaktioner i ett samarbete med universitet.

Inom kemin har entropin haft en närmast mytisk status och ofta åberopats som en teoretisk förklaring till att enzymreaktioner går så snabbt. En huvudteori har länge varit att ett enzym genom sin tredimensionella form har förmågan att ordna substraten som ingår i en reaktion i en position som gynnar och därmed snabbar på reaktionen. I samband med detta ”ordnande” blir det en entropiförlust som fiffigt nog gör att reaktionen sedan kan ske spontat utan entropiförlust, tänker man sig. Detta har intresserat många forskare, till exempel inom läkemedelsutveckling. Det finns också ett stort intresse av att försöka designa nya enzymer med vars hjälp man skulle kunna gripa in i en särskild reaktion i kroppen.

- Men inga av dessa enzymer har hittills fungerat, trots rätt form, och man förstår inte varför, säger Johan Åqvist.

Den reaktion han tillsammans med sina kollegor Masoud Kazemi och Fahmi Himo studerat genom massiva datorberäkningar är sönderfallet av en DNA-bas till en annan med hjälp av enzymet cytidindeaminas. Just denna har av många setts som det perfekta exemplet på ”entropiteorin” för enzymreaktioner. Rader av experiment har visat att det sker, men det är hur som skapat debatt. Spelar det då någon roll exakt hur? Ja, eftersom enzymreaktioner är av största vikt inom så många olika forskningsfält så är alla detaljer viktiga.

Resultatet av beräkningarna av entropin under reaktionen var både spännande och överraskande. Det var tydligt att den minskade entropin i enzymreaktionen inte har någonting med ordning, positionering och bindning av substratet att göra, som entropiteorin utgår från. Det visade sig istället att den drastiskt minskade entropin under reaktionen härstammar från det faktum att enzymomgivningen fick reaktionen att helt byta mekanism, jämfört med samma reaktion i vatten.

- Detta är en spektakulär egenskap hos enzymer, att de genom sin mycket specifika och komplicerade tredimensionella struktur kan diktera kemiska mekanismer som gör att reaktioner går supersnabbt. Det räcker inte att ett enzym har rätt form och att titta på de huvudagerande molekylerna. Man måste se till hela omgivningen, säger Johan Åqvist.

Studien visar att entropin har många ansikten och öppnar för ett nytt sätt att tänka kring enzymreaktioner.

Artikelreferens: PNAS doi:10.1073/pnas.1521020113

För mer information, kontakta Johan Åqvist, tel: 070-425 04 04, johan.aqvist@icm.uu.se