Phát hiện vai trò của ion Hydronium trong phản ứng xúc tác của các enzym

Các nhà nghiên cứu làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Hoa Kỳ, đã khai thác các neutron, để lần đầu tiên đánh giá chính xác vai trò quan trọng của các ion hydronium trong các phản ứng sinh học nhất định. Kết quả của nghiên cứu này có thể giúp ích trong điều trị bệnh loét dạ dày hoặc bệnh trào ngược axit, hoặc cho phép chuyển đổi hiệu quả gỗ vụn thành nhiên liệu cồn.

Xác định Ion hydronium khó nắm bắt, chuyển đổi vai trò với một Proton trong Enzyme ở môi trường có độ pH thấp hơn

Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trong tạp chí Angewandte Chemie International Edition tuần này.

Trong các nghiên cứu trước đây, chưa từng có nhà khoa học nào được trực tiếp chứng kiến ​​vai trò của các ion hydronium: một phân tử nước bị ràng buộc vào một ion hydro bổ sung, trong các chất xúc tác cao phân tử (các cơ chế phản ứng xúc tác của các enzyme).

Các nhà nghiên cứu quan tâm đến các enzyme có tiềm năng để cho phép chuyển đổi 2 loại đường có trong nhiên liệu sinh học gỗ thành cồn, vốn là một loại nhiên liệu tiềm năng, vì enzyme bị mất tác dụng khi độ pH của môi trường thấp hơn, đây vốn là phản ứng lên men thường xảy ra bên trong tế bào men công nghiệp.

Mặt khác, phản ứng hoá sinh này cũng làm kích hoạt hiện tượng bơm proton trong dạ dày, tạo ra lượng axít dư thừa ở những người bị mắc bệnh dạ dày.

Ion hydronium đã không được nhìn thấy trước khi các nhà nghiên cứu đã cố gắng sử dụng X-quang để tìm hiểu cơ chế hóa học của enzyme. Điều này là bởi vì các nguyên tử hydro nhỏ chủ yếu là vô hình dưới X-quang. Để giúp thực hiện những điều có thể nhìn thấy, các nhà nghiên cứu thay thế hydro trong các mẫu enzyme của họ bằng deuterium, một đồng vị của hydro, có tính chất hóa học giống hệt với đối tác dị hướng của nó. Deuterium mang lại một tín hiệu rõ ràng khi tấn công dồn dập với neutron. Vì vậy, các neutron cung cấp một phương pháp hoàn hảo cho việc theo dõi các ion hydronium khó nắm bắt, xuất hiện ở dạng khối hình chóp, ở vị trí hoạt tính của enzyme, nơi phản ứng hóa học xảy ra.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một sự thay đổi quan trọng trong hệ thống mà họ đang nghiên cứu: ở điều kiện môi trường có tính axit, với độ pH (dưới 6) Ion hydronium có thể nắm bắt, tạo điều kiện thuận lợi cho việc liên kết của một ion kim loại đồng yếu tố, vốn rất quan trọng để chuyển đổi cho một phân tử đường lên men: do đột nhiên bị mất nước, phân tử H₂O, được gỡ bỏ bởi hydronium, thành H₃O+. Không gian chiếm chỗ bởi ion hydronium tương đối lớn đổ sập vào khối lượng nhỏ xíu vốn bị chiếm chỗ bởi các proton còn lại (ion hydro tích điện dương, H+). Không gian này làm thay đổi cấu trúc phân tử, ngăn cản đường bị tấn công bởi enzyme.

Hiện tượng quan sát được cung cấp một câu trả lời về lý do tại sao độ pH đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này và làm cho enzym không hoạt động trong điều kiện có tính axit. Quan trọng hơn, nó khẳng định rằng các ion hydronium đóng một vai trò quan trọng trong việc vận chuyển các proton trong các kiểu hệ thống hoá sinh này.

"Đây là một hiện tượng chưa từng được quan sát trước đây," theo Andrey Kovalevsky, nhà nghiên cứu, làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Hoa Kỳ, và là tác giả chính của nghiên cứu này. "Điều này chứng tỏ: hydronium là tác nhân hóa học chủ động, trong các nghiên cứu của chúng tôi về cơ chế xúc tác của enzyme."

Nghiên cứu này khẳng định các vai trò có thể có của các ion hydronium trong các hệ thống sinh học khác. Ngoài bệnh trào ngược axit, kết quả của nghiên cứu này cũng cung cấp một sự hiểu biết tốt hơn về chuyển giao năng lượng trao đổi chất của tế bào sống, ở các sinh vật sống.

Ngoài Andrey Kovalevsky, các đồng tác giả trong nghiên cứu này gồm có Suzanne Fisher, Marat Mustyakimov, Thomas Yoshida, và Paul Langan (hiện làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Hoa Kỳ).