Un cucchiaio di zucchero può far scendere la medicina, ma capire cosa succede a quello zucchero nella cellula è molto più complicato della semplice digestione, secondo i ricercatori. Affinché gli zuccheri vengano metabolizzati e forniscano energia alle cellule, una serie di enzimi - catalizzatori biologici - devono ciascuno, a sua volta, abbattere un reagente. In questo caso, i ricercatori hanno usato il glucosio, lo zucchero che si trova nello sciroppo di mais e uno dei due zuccheri che risultano quando lo zucchero da tavola, il saccarosio, viene scomposto nel corpo.

In questa cascata, il primo enzima agisce sul glucosio fornito alla cellula ei successivi enzimi agiscono sui prodotti successivi. Nel processo, vengono consumate due molecole di adenosina trifosfato, ATP, ma ne vengono prodotte quattro. L'idrolisi dell'ATP alimenta molti processi cellulari per mantenere la vitalità della cellula. Cascate enzimatiche simili sono responsabili di molti processi metabolici nel corpo.

In alcuni casi è stato dimostrato che gli enzimi che partecipano a tali vie di reazione formano intracellulari, complessi reversibili chiamati metaboloni da Paul Srere (deceduto), Scuola di medicina sudoccidentale dell'Università del Texas. Avere gli enzimi in prossimità l'uno dell'altro facilita la serie di reazioni che catalizzano. Uno di questi esempi è il purinosoma scoperto nel professore della Evan Pugh University e professore di chimica Eberly nel laboratorio di Stephan J. Benkovic alla Penn State, che consiste in sei enzimi coinvolti nella biosintesi delle purine.

I ricercatori hanno chiesto se uno dei fattori che contribuiscono alla formazione del metabolone potrebbe essere un gradiente di sostanze chimiche generate dagli enzimi partecipanti. Riportano i loro risultati nel numero di oggi (18 dicembre) di Chimica della natura .

"Abbiamo scoperto qualche tempo fa che semplici molecole catalizzatrici come gli enzimi possono anche chemiotassare il gradiente di un reagente, " ha detto Ayusman Sen, illustre professore di chimica, Penn State. "Si muovono verso concentrazioni sempre più elevate di reagenti".

Il movimento è chiamato chemiotassi, dove le singole molecole migrano lungo un gradiente di concentrazione di altre molecole.

"Tutti gli esseri viventi chemiotasse, " ha detto Sen. "Se hai fame e improvvisamente odore di patatine fritte, proverai a camminare verso le patatine. Se l'odore diminuisce, ti girerai a caso per cercare di trovare la maggiore concentrazione di molecole di odore di patatine fritte finché non sarai al banco delle patatine fritte."

Nel loro studio, i ricercatori hanno utilizzato solo i primi quattro enzimi della via glicolitica:esochinasi, fosfoglucosio isomerasi, fosfofruttochinasi e aldolasi. Questi quattro passaggi consumano effettivamente ATP. Per studiare il movimento degli enzimi, i ricercatori hanno utilizzato l'etichettatura fluorescente di esochinasi e aldolasi, il primo e il quarto enzima della via. Ciascuno è stato etichettato con un diverso colorante fluorescente in modo da poter seguire il movimento di entrambi gli enzimi.

Hanno esaminato tre casi:la normale reazione in cui l'esochinasi fosforila il glucosio; la reazione dell'esochinasi con il mannosio, uno zucchero che si lega più fortemente ma ha una velocità di reazione più lenta; e infine con L-glucosio, una forma di glucosio che non viene utilizzata dall'esochinasi. La fosforilazione richiede ATP. In presenza di fosfoglucosio isomerasi, il secondo enzima, e fosfofruttochinasi, il terzo enzima, viene prodotto il reagente per l'aldolasi.

I ricercatori hanno osservato che l'aldolasi si sposta verso l'esochinasi nel loro esperimento di flusso, rivelando che l'aldolasi stava chemiotassando il gradiente di reagenti prodotto dal funzionamento dei primi tre enzimi nel percorso. La chemiotassi era maggiore con D-glucosio, meno con mannosio e non osservato con L-glucosio.

La modellizzazione teorica del movimento enzimatico prevedeva qualitativamente l'entità del movimento enzimatico.

I ricercatori hanno anche esaminato se la chemiotassi degli enzimi si sarebbe verificata in un modello dell'ambiente intracellulare eccezionalmente affollato. Hanno aggiunto una sostanza di grande peso molecolare per simulare tale affollamento. Si è verificata ancora la chemiotassi, ma a un ritmo più lento.

"La chemiotassi lungo un gradiente chimico potrebbe essere un fattore nell'assemblaggio di cluster di enzimi come metaboloni, " ha detto Benkovic. "Altri fattori, come le interazioni non covalenti dovrebbero comunque contribuire."

La risoluzione dello strumento di ricerca, però, era insufficiente per dimostrare in questo caso che i quattro enzimi si stavano assemblando in un metabolone. I ricercatori hanno osservato la formazione di grandi aggregati di enzimi, ma non poteva dimostrare che stavano funzionando metaboloni.