Deel II –
In de lente maakt het leven een (Maxwell-Boltzmann) sprongetje
Zoals we in de video kunnen zien is er geen geen – simpel – lineair verband tussen de temperatuur en de energie van de bewegende deeltjes. Een kleine verhoging van de temperatuur kan leiden tot veel meer warme deeltjes die nu ‘opeens’ wel voldoende botsingsenergie hebben om reacties mogelijk te maken. Dat hadden we natuurlijk wel ergens kunnen aanvoelen, bijvoorbeeld als we even denken aan het ontwaken van al het leven in het voorjaar, of wanneer klimaatonderzoekers ons waarschuwen dat zelfs kleine variaties in de temperatuur grote gevolgen hebben voor het leven op onze planeet, of als we ziek zijn en zelf de gevolgen van kleine temperatuurschommelingen ervaren. Maar hoe maken we nu een brug naar brood?
Brooddeeg leeft. Gist en bacteriën produceren CO2 gas die opgesloten raakt in een vlies die door de combinatie van gluten, zetmeel en water gevormd wordt. Dat zijn een soort longblaasjes (deegblaasjes) die het deeg doen rijzen zodra de CO2 druk door toeneemt. Het deeg kan ingedeukt worden, veert weer terug, ruikt lekker en wordt zelfs ‘aaibaar’. In dit deeglichaam vinden complexe biochemische reacties plaats die net als andere biologische systemen sterk van de temperatuur afhangen. Bij het reguleren van deze deze biochemische processen spelen enzymen een belangrijke rol.
Misschien heb je je ooit afgevraagd uit welke stof Shakespeare’s dromen zijn gemaakt? De kans is groot dat het enzymen zijn, moleculen die betekenisloze trillingen en botsingen richting geven en weten om te zetten in een chemisch “verhaal” dat betekenis krijgt. Enzymen spelen een sleutelrol in het leven en het zal je inmiddels niet verbazen dat ze voor het maken van brood belangrijk zijn. Enzymen zijn relatief grote eiwitten die een specifieke functie hebben. Het zijn ingenieuze machines die helpen bij het breken en vormen van chemische bindingen. Ze bezitten een specifiek gebied (active site) voor het binden van target moleculen, die ze vervolgens efficient veranderen. Maar waar halen deze moleculaire-machines nu precies hun energie vandaan en waarom zijn ze relatief zo groot?
Biochemische reacties gaan gepaard met botsingen tussen moleculen. Enzymen helpen bij het reguleren van deze botsingen, door gebruik te maken van veel lagere energieën (kleiner dan 100 kj/mol) dan de energieën die door Sadoway (video in deel 1) genoemd zijn.
De sterkte van bindingen die atomen onderling aangaan variëren. Sommige bindingen zijn sterk, andere zwak. Deze diversiteit aan bindingsenergieën speelt in de biochemie een belangrijke rol, waarbij enzymen mogelijk in staat zijn om de beperkte omgevingsenergie te “bundelen” en vervolgens slim naar de active site te transporteren, waar de chemische verandering van een ander molecuul versneld plaatsvinden. De energie die nodig is voor een reactie wordt op deze manier door het enzym verlaagd en daardoor kunnen “opeens” veel meer deeltjes aan een reactie deelnemen. Enzymen zorgen dat reacties veel sneller verlopen, soms een miljoen keer sneller. Zonder enzymen zou er bij kamertemperatuur (circa 2.5 kj/mol of 1/40 ev, 25°C, zie video Sadoway, deel 1) biologisch gezien niets te beleven zijn.
De a-symmetrische vorm van de Maxwell-Boltzmann distributie is mogelijk een manier om te verklaren hoe lage en hoge energieën gezamenlijk het pad van de reactie kunnen bepalen. Teveel warme deeltjes (hoge temperaturen) zouden deze balans nadelig verstoren. In plaats van complexiteit te bevorderen, waar de biologie in uitblinkt, wordt bij hoge temperaturen die complexiteit doorgaans verminderd. Het bijzondere aan de Maxwell-Boltzmann distributie bij kamer temperatuur is de gunstige verhouding (evenwicht) tussen de vele koude en relatief weinig warme deeltjes, die enzymen mogelijk in staat stelt om ondanks de beperkte thermische energie het complexe leven richting en snelheid te geven. Zou dit ook de onderliggende reden kunnen zijn waarom enzymen zo veel groter zijn in verhouding tot de reactanten? Zoals Saldoway in de video stelt: Hoe haal je bij kamertemperatuur voldoende energie uit de omgeving om een reactie mogelijk te maken? Zou het feit dat enzymen zo groot zijn verband kunnen hebben met de vorm van de Maxwell-Boltzmann distributie?
Meer lezen over enzymen
Enzymes play fundamental roles in almost all life processes. They accelerate a great variety of metabolic reactions and control processes such as signaling, energy transduction and the translation of genetic information. The ability of enzymes to catalyze reactions by many orders of magnitude allows cells to carry out reactions that otherwise would not occur on biologically useful time scales (ref).
It has been suggested that thermophilic or hyperthermophilic (Tm) enzymes have lower catalytic power at a given temperature than the corresponding mesophilic (Ms) enzymes, because the thermophilic enzymes are less flexible.(ref).
Until the year 2000, we only knew about two forms of catalysts. But then everything changed. Benjamin List and David MacMillan independently reported that you can use small organic molecules to do the same job as big enzymes and metal catalysts in reactions that are precise, cheap, fast and environmentally friendly.” (ref)
- For enzymes the bigger is better.
- On the relationship between thermal stability and catalytic power of enzymes†
- ‘Elegant’ catalysts that tell left from right scoop chemistry Nobel
- Heat capacity water is not constant and has a minimum at temperature ?
- Molecules as Energy Carriers and Converters
- Energy and it’s relation to heat capacity
- Chemical bonds, a way to “store” energy and delay the transformation into kinetic “decay” or rise in temperature.
Jechiam Gural
Over het Baking Lab logo