„Live” zaobserwowano: Woda jest aktywnym graczem enzymów

UlVCLUZvcnNjaGVyIGJlcmljaHRlbiBpbiBOYXR1cmUgU3RydWN0dXJhbCAmIE1vbGVjdWxhciBCaW9sb2d5IFdhc3NlciB3aXJrdCBhbHMg4oCeS2xlYmVy4oCcIGluIGJpb2xvZ2lzY2hlbiBFbnp5bS1TdWJzdHJhdC1WZXJiaW5kdW5nZW4=

W biologicznie aktywnych kombinacjach enzym-substrat, takich jak te występujące w lekach, woda odgrywa bardziej decydującą rolę niż wcześniej sądzono. Otaczająca woda działa jak „klej”, utrzymując substrat we właściwym miejscu dla enzymu. Aby to zrobić, dynamika wody jest spowolniona. Naukowcy z RUB wokół prof. Martina Havenith (chemia fizyczna), w ścisłej współpracy z naukowcami kierowanymi przez prof. Irit Sagi z izraelskiego Instytutu Weizmanna może po raz pierwszy „na żywo” zaobserwować i udowodnić spowolnienie dynamiki wody. Naukowcy opisują swoje wyniki w „Nature Structural & Molecular Biology”.

Jaką rolę odgrywa rozpuszczalnik?

Enzymy to naturalne substancje, które przyspieszają i kontrolują procesy metaboliczne w organizmie. Na przykład mają kluczowe znaczenie dla układu odpornościowego, ponieważ kontrolują równowagę między aktywacją a hamowaniem reakcji obronnych i odgrywają główną rolę w reakcjach zapalnych. Od dawna wiadomo, że funkcje enzymatyczne zachodzą z bardzo różnymi szybkościami w różnych rozpuszczalnikach. Jak dotąd jednak udział rozpuszczalnika - w procesach biologicznych wody - nie został jeszcze wyjaśniony na poziomie molekularnym.

Dwie nowe techniki razem

Grupy prof. Havenith i prof. Sagi z Instytutu Biologii Strukturalnej Instytutu Weizmanna połączyły dwie nowo opracowane techniki eksperymentalne, aby bezpośrednio wykazać znaczenie wody dla funkcji enzymatycznych. Przedmiotem badań były metaloproteazy matrycowe (MMP). Są one zlokalizowane poza naszymi komórkami w tak zwanej macierzy pozakomórkowej, gdzie wykonują kluczowe zadania na poziomie molekularnym jako środki komunikacji, menedżerowie lub jednostki utrzymania. Rozbijając macierz zewnątrzkomórkową, MMP są aktywne i bezpośrednio uczestniczą w przebudowie naszej tkanki, na przykład we wzroście zarodka lub guza oraz w gojeniu się ran. Liczne możliwe obszary zastosowania sprawiają, że ta rodzina enzymów stanowi punkt wyjścia do opracowywania leków. „Jednak mechanizm aktywacji metaloproteaz macierzy jest jak dotąd niewystarczająco znany na poziomie molekularnym, co utrudnia syntetyczną replikację” - mówi prof. Havenith.

Dokładna analiza wszystkich „członków drużyny”

Aby dokładnie zrozumieć proces aktywacji, naukowcy przeprowadzili wszechstronną analizę wszystkich zaangażowanych „graczy”: metaloproteazy macierzy jako „nośnika enzymatycznego”, jej aktywującego substratu - „kluczowej cząsteczki” - oraz wody jako rozpuszczalnika Pochłania większość środowiska reakcji. W eksperymencie naukowcy zbadali wiązanie substratu do MMP. Za pomocą czasowo-rozdzielczej spektroskopii rentgenowskiej byli w stanie scharakteryzować zmiany strukturalne w pobliżu centrum aktywnego enzymu (tutaj: atom cynku) z rozdzielczością atomową. Za pomocą kinetycznej spektroskopii absorpcyjnej THz (KITA) zarejestrowali zmiany w szybkich ruchach wody w czasie.

Rozważ wodę w opracowywaniu leków

Przy różnych kombinacjach MMP-białko istniała wyraźna korelacja między fluktuacjami sieci wodociągowej, zmianami strukturalnymi i funkcją. Symulacje dynamiki molekularnej dostarczyły wyjaśnienia obserwacji: dopóki podłoże nie dotarło jeszcze do „właściwego miejsca” na enzymie, dynamika wody, czyli zmiana partnera w cząsteczkach wody („taniec terahercowy” wody) jest nadal szybka . Równocześnie z dokowaniem podłoża do ośrodka aktywnego znacznie spowalnia się ruch wody w tym obszarze. Woda tam działa jak rodzaj lepkiego kleju, który utrzymuje podłoże na miejscu. Ta zmiana w tańcu THz wody z utworzeniem wiązania enzym-substrat jest obserwowana tylko w przypadku biologicznie aktywnych kombinacji enzym-substrat. „Spowolnienie dynamiki wody, które było badane po raz pierwszy, wydaje się zatem być istotną częścią kontroli funkcjonalnej” - mówi prof. Havenith. „Dlatego w przyszłości kluczowe znaczenie będzie miało uwzględnienie roli wody w opracowywaniu leków, na przykład do zwalczania nowotworów”.

„Solvation Science @ RUB”

Ta praca jest zintegrowana z tematem „Solvation Science @ RUB”, tematem budowania badań ZEMOS zalecanym przez Niemiecką Radę Nauki, z którego wyłania się również aplikacja klastrowa RESOLV ROL. W chemii, inżynierii procesowej i biologii istnieje ogromna liczba publikacji, w których rozpuszczalniki są obojętne

Opisz (pasywne) media dla procesów molekularnych. Oprócz tej tradycyjnej perspektywy aktywna rola rozpuszczalnika staje się coraz bardziej widoczna. Nowe metody eksperymentalne i teoretyczne pozwalają teraz na badania, opis i systematyczne oddziaływanie na strukturę, dynamikę i kinetykę złożonych zjawisk solwatacyjnych na poziomie molekularnym. „Dlatego nadszedł czas, aby opracować jednolity model o mocy predykcyjnej dla procesów solwatacyjnych” - powiedział prof. Havenith. To właśnie jest celem „Solvation Science @ RUB”.

nagranie tytuł

M. Grossman, B. Born, M. Heyden, D. Tworowski, G. Fields, I. Sagi, M. Havenith: Skorelowana kinetyka strukturalna i opóźniona dynamika rozpuszczalnika w miejscu aktywnym metaloproteazy. Nature Structural & Molecular Biology, Advance Online Publication (AOP), doi: 10.1038 / nsmb.2120 http://www.nature.com/nsmb/journal/vaop/ncurrent/abs/nsmb.2120.html

Źródło: Bochum [RUB]