Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Molekylærbiologer udfordrer kendt biokemisk ligning

Forskere fra Aarhus Universitet udfordrer en af hjørnestenene i biokemien, Michaelis-Menten ligningen. De viser, at mange enzymer i signaleringsveje er uafhængige af mængden af deres substrater, fordi substratet er fysisk forbundet med enzymet. Med disse resultater bliver det måske en dag muligt at udvikle lægemidler målrettet mod forbindelsen imellem enzym og substrat.

19.08.2020 | Lisbeth Heilesen

Magnus Kjærgaard (tv) og Mateusz Dyla udfordrer en af hjørnestenene i biokemien, Michaelis-Menten ligningen, idet de viser, at mange enzymer i signaleringsveje er uafhængige af mængden af deres substrater, fordi substratet er fysisk forbundet med enzymet. Foto: Mateusz Dyla.

Celler sender signaler via enzym-kaskader, hvor et enzym giver signalet videre til det næste. I sådanne kaskader er det essentielt, at enzymet genkender de rette substrater for at sikre, at for eksempel et hormon aktiverer de rigtigt cellulære processer. Kaskaderne består af proteinkinaser, som normalt ikke er tilstrækkeligt specifikke i sig selv. Derfor er proteinkinaser afhængige af andre proteiner, der fysisk forbinder dem med de rette substrater. Denne fysiske forbindelse gør, at de ikke er kan beskrives med Michealis-Menten ligningen eller nogen af dens søskende.

”Vi plejer at beskrive signaleringsenzymer med ligninger, der er udviklet til enzymer fra stofskiftet”, forklarer Magnus Kjærgaard. ”Stofskifteenzymer laver for eksempel energi til kroppen, og bliver nødt til at håndtere mange substrater per minut. Signaleringsenzymer fungerer derimod ofte som en form for tænd-sluk knap, og skal ofte kun håndtere et enkelt substrat for at udføre sin funktion. Derfor er ligninger, der er udviklet til at beskrive stofskifteenzymer, mindre relevante for signaleringsenzymer!”

I mere end hundrede år, har biokemikere beskrevet enzymers aktivitet ved hjælp af Michealis-Menten ligningen, der beskriver hvordan aktiviteten øges ved højere substrat koncentration. Men når et enzym er forbundet med sit substrat, så betyder det ikke noget, hvor meget substrat der er tilstede. I stedet er hastigheden afhængig af reaktionen af, hvordan enzymet er forbundet til substratet, og dermed af de molekyler der laver forbindelsen. Indtil nu har vi ikke haft nogen beskrivelse af, hvordan strukturen af sådanne molekyler påvirker enzymatiske reaktioner.

”Normalt forsøger vi at beskrive, hvilken kurveform der beskriver enzymets aktivitet. Vi havde et meget mere fundamentalt problem,” siger førsteforfatteren på den videnskabelige artikel, Mateusz Dyla. ”Hvad skulle vi putte på X-aksen i stedet for koncentrationen?”

Cellulær signalering styres af molekylære match-makere

Forskerne lavede et modelsystem, hvor de kunne udskifte forbindelsen imellem enzymet og substratet. Dette brugte de til at måle, hvordan længden af en fleksibel forbindelse påvirkede den første omgang af enzymkatalyse, hvilket typisk var overstået inden for millisekunder. Efter mange eksperimenter endte de med en ligning, der beskriver hvordan hastigheden af reaktionen afhænger af forbindelsen imellem enzym og substrat. Denne ligning antyder, at match-maker proteiner spiller en overset rolle i forhold til at kontrollere cellulær signalering.

Forbindelsen imellem enzymet og substratet påvirker også, hvilke substrater et enzym foretrækker. Substrater, der normalt ser ens ud, kan opføre sig meget forskelligt, når enzymet kun skal bearbejde et enkelt forbundet substrat.

”Det svarer lidt til forskellen på, hvor lang tid det tager mig at spise en enkelt hotdog, og på hvor mange hotdogs jeg kan spise på en uge,” forklarer Magnus. ”På en uge er den begrænsende faktor, hvor hurtigt jeg kan fordøje hotdogsene. Det er ikke relevant i forhold til, hvor hurtigt jeg kan spise den første hotdog. Derfor giver de to målinger forskellige resultater. Hvis du vil forstå hvordan proteinkinaser fungerer som tænd-sluk knapper, så bliver du nødt til at fokusere på den første runde katalyse.”

På langt sigt kan det have betydning for udviklingen af lægemidler målrettet mod proteinkinaser i for eksempel cancer. Mateusz forklarer: ”Vi håber en dag at blive i stand til at udvikle lægemidler, der ikke blot er målrettet mod enzymet, men også at målrette dem mod forbindelsen til substratet.”

Resultaterne er publiceret i det internationale tidsskrift PNAS.

Mere information

Adjunkt Magnus Kjærgaard
Institut for Molekylærbiologi og Genetik & iNANO
Aarhus Universitet
magnus@mbg.au.dk - 60541949

Forskning