Catalytic competence bounds the decay rates of a thermally formed radical pair
Diese Studie zeigt, dass das detaillierte Gleichgewicht fundamentale untere Schranken für die Zerfallsraten thermisch gebildeter Radikalpaare in Flavoenzymen auferlegt, was die Größenordnung geomagnetischer Feldeffekte unter realistischen katalytischen Bedingungen und energetischen Randbedingungen auf weniger als 0,1 % stark einschränkt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Die Natur ist seit langem dafür bekannt, einen stillen, inneren Kompass zu besitzen. Für Vögel, die Tausende von Kilometern über Kontinente hinweg navigieren, ist die Fähigkeit, das Magnetfeld der Erde zu spüren, eine biologische Notwendigkeit. Die führende Theorie darüber, wie dies funktioniert, beinhaltet ein Molekül namens Cryptochrom, das in den Augen dieser Vögel vorkommt. Wenn Licht auf dieses Molekül trifft, erzeugt es ein Paar hochreaktiver Fragmente, die als Radikale bekannt sind und durch eine seltsame Quantenverbindung miteinander verknüpft sind. Das Magnetfeld der Erde ist zwar unglaublich schwach, aber stark genug, um das Verhalten dieser Fragmente zu beeinflussen, die chemische Folge ihres Zusammenspiels zu verändern und dem Vogel ein Richtungsignal zu liefern.
Seit Jahrzehnten fragen sich Wissenschaftler, ob derselbe Quantentrick auch in der Dunkelheit, in Enzymen, die Neurotransmitter im menschlichen Gehirn abbauen, funktionieren könnte. Diese Enzyme, sogenannte Monoaminooxidasen, sind entscheidend für die psychische Gesundheit, arbeiten jedoch ohne Licht. Wenn auch sie das Magnetfeld spüren könnten, würde dies bedeuten, dass unser Gehirn auf subtile Weise durch die Magnetik des Planeten beeinflusst werden könnte, auf eine Weise, die wir noch nicht verstehen. Damit dieser Mechanismus jedoch funktionieren kann, müssen die reaktiven Fragmente lange genug überleben, damit das schwache Magnetfeld seine Wirkung entfalten kann. Wenn sie zu schnell verschwinden, geht das Signal verloren, bevor es registriert werden kann.
Eine neue Studie von Forschern des Quantum Integrated Research Institute in Tokio hat die strengen Grenzen für diese Möglichkeit untersucht. Sie untersuchten, ob diese im Dunkeln arbeitenden Enzyme realistischerweise in der Lage wären, die langlebigen Radikalpaare zu beherbergen, die für die magnetische Wahrnehmung benötigt werden. Durch die Kombination der grundlegenden Gesetze der chemischen Energie mit detaillierten Computersimulationen darüber, wie diese Teilchen rotieren und interagieren, fanden die Autoren heraus, dass die Regeln der Thermodynamynamik es unwahrscheinlich machen, dass diese Enzyme unter normalen Bedingungen gegenüber dem Magnetfeld der Erde empfindlich sind, obwohl eine günstige Umgebung am aktiven Zentrum das Ergebnis ändern könnte.
Die Forscher konzentrierten sich auf einen spezifischen chemischen Pfad, bei dem ein Enzym ein Substratmolekül greift und ein Elektron überträgt, um ein Radikalpaar zu erzeugen. Damit das Enzym als Katalysator fungieren kann, muss es schließlich ein Produkt freisetzen und in seinen Ausgangszustand zurückkehren. Die Studie zeigte, dass, wenn das Enzym mit einer realistischen Geschwindigkeit arbeiten soll, das Radikalpaar, das es erzeugt, nicht lange verweilen darf. Es gibt einen mathematischen Zielkonflikt: Je schneller das Enzym arbeitet, desto kürzer ist die Lebensdauer des Radikalpaars. Das Team berechnete, dass das Radikalpaar fast augenblicklich zerfallen muss, wenn das Enzym effizient genug sein soll, um biologisch relevant zu sein.
In ihren Simulationen modellierten die Forscher das Verhalten eines Flavin-Moleküls, das als Elektronenträger in diesen Enzymen fungiert, gepaart mit einem Amin-Substrat. Sie testeten Millionen von Kombinationen, wie diese Teilchen rotieren und interagieren könnten, und suchten nach jedem Szenario, in dem das Magnetfeld der Erde die chemische Ausbeute verändern könnte. Sie fanden heraus, dass das magnetische Signal bei einer Standardgeschwindigkeit des Enzyms typischerweise geringer als ein Zehntel eines Prozents wäre. In der Welt der biologischen Wahrnehmung ist ein so winziges Signal praktisch unsichtbar, untergehen im zufälligen thermischen Rauschen der Zelle.
Die Studie untersuchte auch die Energie, die zur Bildung dieser Paare erforderlich ist. In Wasser ist die Energielücke zwischen dem Ausgangszustand des Enzyms und dem Radikalpaar so groß, dass das Paar extrem instabil wäre. Selbst als die Forscher ihre Berechnungen anpassten, um die einzigartige, dichte Umgebung innerhalb des aktiven Zentrums des Enzyms zu berücksichtigen, blieb die Energielücke zu weit, um in den meisten Szenarien ein langlebiges Paar zuzulassen. Jedoch konnte in dem günstigsten theoretischen Fall, in dem das aktive Zentrum die Anziehung zwischen dem Paar signifikant verstärkt, die Energielücke so weit schrumpfen, dass ein messbarer Effekt möglich wurde, mit vorhergesagten Signalen von bis zu 0,21 %.
Diese Arbeit schließt nicht die Möglichkeit aus, dass einige Enzyme durch Magnetfelder beeinflusst werden könnten, legt aber nahe, dass der spezifische Mechanismus, der auf langlebigen Radikalpaaren beruht, für Monoaminooxidasen unwahrscheinlich die Antwort ist, es sei denn, die Umgebung des aktiven Zentrums ist außergewöhnlich günstig. Die Autoren betonen, dass ihre Schlussfolgerungen auf den grundlegenden Einschränkungen basieren, wie Enzyme arbeiten müssen, um nützlich zu sein. Wenn ein Enzym schnell genug arbeitet, um das Leben zu erhalten, kann es sich nicht leisten, diese magnetisch empfindlichen Paare lange genug am Leben zu halten, um das Feld der Erde unter Standardbedingungen zu spüren. Die Studie lässt die Tür offen für die Entdeckung anderer, komplexerer Mechanismen und stellt insbesondere fest, dass das Zeitfenster offen bleibt, wenn das aktive Zentrum die Energielücke auf etwa 0,49 eV senkt.
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