Upptäckt förklarar kemin bakom cellens energimolekyl

Reaktionsvinkeln för bildandet av ATP genom enzymet adenylatkinas ändras från 135 till 168 grader då magnesium (grön sfär) binder till reaktanterna. Denna skillnad på cirka trettio grader ger en enorm effekt på hastigheten för ATP-produktion hos enzymet. 

BildMagnus Wolf-Watz

väldigt små skillnader hos molekyler kan ge upphov till en dramatisk katalytisk effekt

– Vår upptäckt kan få ett brett genomslag för att förstå en mängd olika biologiska processer eftersom ATP-molekylen är involverad i allt från muskelarbete och transport in och ur celler till bakteriella infektioner, säger Magnus Wolf-Watz, professor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

För att biologiskt liv överhuvudtaget ska existera är celler är i konstant behov av kontinuerlig och stor tillgång till sin bränsle- och signalmolekyl, ATP. Ett av de biokemiska systemen som producerar ATP är det essentiella enzymet adenylatkinas vilken katalyserar produktion av ATP från byggblocken ADP och AMP.

Enzymet är beroende av metallen magnesium för att kunna producera stora mängder av ATP. Det är sedan tidigare känt att magnesium katalyserar ATP-molekylens kemiska reaktioner genom elektrostatiska effekter, med detta räcker inte för att de kemiska reaktioner som involverar ATP ska gå tillräckligt snabbt. Just hastigheten är oerhört viktig.

Magnus Wolf-Watz, professor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet. 

BildMattias Pettersson

Nu har ett internationellt forskarlag som letts av Magnus Wolf-Watz på Kemiska institutionen vid Umeå universitet utvecklat en metod för att ta reda på tidigare okända aspekter av magnesiumets påverkan på ATP-molekylen.

För att den kemiska reaktionen som bildar ATP ska ske måste byggstenarna AMP och ADP placeras i exakt geometri relativt varandra i enzymet adenylatkinasets aktiva säte. Forskarlaget upptäckte att reaktionen sker optimalt då magnesiumatomen vrider en vinkel i molekylerna så att de hamnar i precis rätt konfiguration.

– Resultatet är häpnadsväckande! Det visar att väldigt små skillnader hos molekyler kan ge upphov till en dramatisk katalytisk effekt. Nu vet vi exakt hur magnesium påskyndar kemin för bildande av cellens energimolekyl ATP, säger Magnus Wolf-Watz.

Elisabeth Sauer-Eriksson, professor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

BildMattias Pettersson

Ändringarna i vinkel kunde observeras genom kristallografiska strukturer som togs fram experimentellt av Elisabeth Sauer-Eriksson, professor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

Forskarna tog ett steg till. Med beräkningskemi i Kwangho Nam lab vid University of Texas at Arlington kunde de visa att ändringarna i vinklarna var kopplade till större ändringar hos enzymets struktur. Denna koppling är en länge eftersökt länk mellan enzymers struktur och deras katalytiska effekt.

Forskningen genomfördes i ett samarbete mellan Umeå universitet och University of Texas och Konstanz University. Vid Umeå universitet användes forskningsinfrastrukturen för NMR som bland annat finansierats av Kempestiftelserna.