Las enzimas que juegan con el principio de incertidumbre

¿Utilizan las enzimas trucos de la mecánica cuántica para hacer más rápido su trabajo? ¿Pueden haber evolucionado las proteínas para utilizar y aprovechar fenómenos mecanocuánticos a temperatura ambiente y no simplemente acercar los reactivos y estabilizar el estado de transición hacia los productos?

La teoría que aprendimos en el instituto es que las enzimas disminuyen la energía de activación necesaria, estabilizando de alguna manera el estado de transición, en el que no es ni sustrato ni producto. Acortan por así decirlo la barrera entre un valle y otro facilitando el paso de uno a otro. Es la Teoría del Estado de Transición (TET o TST). No obstante, donde la física se lo permite parecen aprovechar, además, los efectos cuánticos como el efecto túnel. Esa es la analogía, para pasar de un valle a otro tunelan la barrera por lo que transitan con mayor velocidad y menor coste.

Dihydrofolate reductase, or DHFR, is an enzyme that reduces dihydrofolic acid to tetrahydrofolic acid, using NADPH as electron donor.

La dihidrofolato reductasa o DHFR es una enzima que reduce el ácido dihidrofólico a ácido tetrahidrofólico, utilizando NADPH como donador de electrones. El hidruro pasa del NADPH+ al dihidrofolato con contribución mecanocuántica según experimentos con diferentes isótopos del Hidrógeno.

Un ejemplo de ello son los sistemas enzimáticos que transfieren un hidrógeno (en forma de protón, hidruro o radical ) de un sustrato a otro. Son fundamentales para la vida y parece utilizar el principio de incertidubre para acelerar las reacciones que facilitan. La dihidroflato reductasa por ejemplo, es imprescindible para fabricar los componentes del ADN. Reduce el folato ingerido en la dieta a tetrahidrofolato.

Parece que ha evolucionado para acercar el hidruro de donador, el NADPH+ al dihidrofolato y permitir la transferencia sin subir la barrera de potencial. Esto lo indican experimentos donde se verifican las diferentes velocidades o cinéticas a las que se produce dicha reacción en función de si el hidruro proviene de propio, deuterio o tritio. Se denomina efecto cinético isotópico (KIE) y se toma como una medida de la contribución del efecto túnel a la catálisis normal. Otro indicador puede ser que la velocidad se vuelva independiente de la temperatura.

El principio de incertidumbre dice que cuanto más pequeña la partícula menor definición en su localización y mayor su punto de energía cero. Según el principio de Broglie cualquier partícula en movimiento tiene una longitud de onda asociada, dada por la ecuación L= h/(2mE)1/2, donde m es la masa de la partícula y E su energía. De acuerdo con esto longitud de onda para un hidrógeno con una energía de 10 kJ/mol será 0.5 Å for 1H (protio, H), 0.31 Å para 2H (deuterio, D) y 0.25 Å para 3H (tritio, T). Por ello, habrá una indefinición también en la posición mientras la partícula pasa al estado de transición.

Mientras sube la barrera de potencial habrá un momento en el que la anchura de está quede dentro del intervalo de incertidumbre y la partícula pase a una menor altura al otro lado de la barrera, no teniendo que subirla entera, formándose el producto. Es como reducir la energía de activación efectiva.

Efecto isotópico cinético en encimas que trasfieren hidrógeno.

En los sistemas que muestran efecto túnel se observa una energía de activación efectiva menor cunado el isótopo del hidrógeno que cambia de sitio en la reacción es el protio que cuando es el deuterio o el tritio. No solo aumenta en punto de referencia cero, sino también disminuye la altura a la que pasan la barrera de potencial.

Los procesos donde se transfiere un hidrógeno de una molécula a otra son habituales en biología y parece que las enzimas que los gobiernan se pasan al principio de incertidumbre para acelerar las cosas. La alcohol deshidrogenasa, la dihidrofolato reductasa y otras muchas muestran efectos isotópicos cinéticos. En muchos casos la aportación del efecto túnel es más notoria en los intervalos de temperatura a los que trabajan y no a temperatura más bajas. La eficiencia del efecto túnel parece estar muy relacionada con la distancia que deba recorrer o mejor dicho tunelar el hidruro, y por supuesto también de su masa.

Para aumentar el efecto túnel una enzima como la dihidrofolato deshidrogenasa debe haber evolucionado no solo para estabilizar el estado de transición sino también lo ha debido hacer para acercar el donador de H y el aceptor lo más posible y alterar los niveles de energía de los reactivos y productos. De tal forma que solapen la probabilidad de encontrar la partícula en el valle del reactivo, con la probabilidad de encontrar la partícula en el valle de producto, y lo hagan debajo de la barrera. La superposicíon debe deshacerse y ser más probable la descoherencia en el lado del producto.

REFERENCIAS

Temperature dependence of protein motions in a thermophilic dihydrofolate reductase and its relationship to catalytic efficiency. Olayinka A. Oyeyemi, Kevin M. Sours, Thomas Lee, Katheryn A. Resing, Natalie G. Ahn, and Judith P. Klinman PNAS 2010 107 (22) 10074-10079; published ahead of print May 13, 2010, doi:10.1073/pnas.1003678107

Hydrogen tunneling in biology. Amnon Kohen and Judith P Klinman. Chemistry & Biology July 1999, 6:R191–R198

FacebookStumbleUponBoton para agregar esto a favoritos sociales

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s