"لايف" لاحظ: الماء هو لاعب نشط من الانزيمات

UlVCLUZvcnNjaGVyIGJlcmljaHRlbiBpbiBOYXR1cmUgU3RydWN0dXJhbCAmIE1vbGVjdWxhciBCaW9sb2d5IFdhc3NlciB3aXJrdCBhbHMg4oCeS2xlYmVy4oCcIGluIGJpb2xvZ2lzY2hlbiBFbnp5bS1TdWJzdHJhdC1WZXJiaW5kdW5nZW4=

في تركيبات الركيزة الإنزيمية النشطة بيولوجيًا ، مثل تلك الموجودة في الأدوية ، يلعب الماء دورًا أكثر حسماً مما كان يُعتقد سابقًا. يعمل الماء المحيط مثل "الغراء" لتثبيت الركيزة في المكان المناسب لإنزيم. للقيام بذلك ، يتم إبطاء ديناميكيات الماء. العلماء في RUB حول البروفيسور د. Martina Havenith (الكيمياء الفيزيائية) ، بالتعاون الوثيق مع العلماء بقيادة البروفيسور د. تستطيع إيريت ساغي من معهد وايزمان الإسرائيلي مراقبة وإثبات تباطؤ ديناميكيات المياه "الحية" لأول مرة. تقرير الباحثون عن نتائجهم في "الطبيعة البنائية والبيولوجيا الجزيئية".

ما هو الدور الذي يلعبه المذيب؟

الإنزيمات هي مواد طبيعية تسرع وتتحكم في عمليات التمثيل الغذائي في الجسم. على سبيل المثال ، فهي ذات أهمية مركزية لجهاز المناعة ، لأنها تتحكم في التوازن بين تنشيط وتثبيط ردود الفعل الدفاعية وتلعب دورًا رئيسيًا في التفاعلات الالتهابية. من المعروف منذ فترة طويلة أن الوظائف الأنزيمية تحدث بسرعات مختلفة جدًا في المذيبات المختلفة. حتى الآن ، ومع ذلك ، فإن مساهمة المذيب - في العمليات البيولوجية ، الماء - لم يتم توضيحها بعد على المستوى الجزيئي.

تقنيات جديدة مجتمعة

جمعت مجموعات البروفيسور هافينيث والبروفيسور ساغي في معهد البيولوجيا التركيبية في معهد وايزمان تقنيتين تجريبيتين مطورتين حديثًا لإثبات أهمية الماء للوظائف الأنزيمية بشكل مباشر. كان موضوع التحقيق مصفوفة metalloproteases (MMP). تقع خارج خلايانا في ما يسمى بالمصفوفة خارج الخلية ، حيث تؤدي مهام مركزية على المستوى الجزيئي مثل وسطاء الرسائل أو المديرين أو وحدات الصيانة. من خلال تحطيم المصفوفة خارج الخلية ، يشارك MMP بنشاط وبشكل مباشر في إعادة تشكيل أنسجتنا ، على سبيل المثال في نمو الجنين أو الورم وفي التئام الجروح. تجعل مجالات التطبيق العديدة الممكنة من عائلة الإنزيم هذه نقطة انطلاق لتطوير الأدوية. يقول البروفيسور هافينيث: "ومع ذلك ، فإن آلية تنشيط مادة المصفوفة المعدنية غير معروفة حتى الآن بشكل كافٍ على المستوى الجزيئي ، مما يجعل النسخ التخليقي صعبًا".

تحليل دقيق لجميع "اللاعبين"

من أجل فهم دقيق لعملية التنشيط ، أجرى الباحثون لأول مرة تحليلًا شاملاً لجميع "اللاعبين" المعنيين: المصفوفة metalloprotease باعتبارها "مركبة إنزيمية" ، وركيزة تنشيطها - "الجزيء الرئيسي" - والماء كمذيب يسبب يستهلك معظم بيئة التفاعل. في التجربة ، فحص العلماء ارتباط الركيزة بـ MMP. بمساعدة التحليل الطيفي للأشعة السينية الذي تم حله بمرور الوقت ، تمكنوا من وصف التغييرات الهيكلية في محيط مركز الإنزيم النشط (هنا: ذرة الزنك) بدقة ذرية. بمساعدة التحليل الطيفي لامتصاص THz الحركي (KITA) ، سجلوا التغيرات في حركات الماء السريعة بمرور الوقت.

ضع في اعتبارك الماء في تطوير الأدوية

مع مجموعات مختلفة من البروتين MMP ، كان هناك ارتباط واضح بين التقلبات في شبكة المياه والتغيرات الهيكلية والوظيفة. قدمت محاكاة الديناميكيات الجزيئية تفسيرًا للملاحظات: طالما أن الركيزة لم تصل بعد إلى "المكان المناسب" للإنزيم ، فإن ديناميكيات الماء ، أي التغيير الشريك في جزيئات الماء ("رقصة التيراهيرتز" للمياه) لا تزال سريعة . بالتزامن مع إرساء الركيزة إلى المركز النشط ، تتباطأ حركة الماء في المنطقة بشكل كبير. يعمل الماء هناك كنوع من المواد اللاصقة اللزجة التي تثبت الركيزة في مكانها. لوحظ هذا التغيير في رقصة THz للماء مع تكوين رابطة الركيزة الإنزيمية فقط مع تركيبات إنزيم الركيزة النشطة بيولوجيًا. يقول البروفيسور هافنيث: "يبدو أن تباطؤ ديناميكيات المياه ، الذي تم فحصه لأول مرة ، يمثل جزءًا أساسيًا من التحكم الوظيفي". لذلك سيكون من الضروري في المستقبل مراعاة دور الماء في تطوير الأدوية ، على سبيل المثال لمكافحة الأورام.

"Solvation Science @ RUB"

تم دمج هذا العمل في التركيز "Solvation Science @ RUB" ، وهو موضوع مبنى أبحاث ZEMOS الذي أوصى به مجلس العلوم للتمويل ، والذي تنبثق منه مجموعة تطبيقات التميز RESOLV الخاصة بـ RUB. يوجد في الكيمياء وهندسة العمليات وعلم الأحياء عدد هائل من المنشورات التي تستخدم المذيبات كمادة خاملة

وصف الوسائط (السلبية) للعمليات الجزيئية. وبعيدًا عن وجهة النظر التقليدية هذه ، أصبح الدور النشط للمذيب واضحًا بشكل متزايد. تتيح الأساليب التجريبية والنظرية الجديدة الآن البحث والوصف والتأثير المنهجي على بنية وديناميكيات وحركية ظواهر الذوبان المعقدة على المستوى الجزيئي. يقول البروفيسور هافينيث: "لقد حان الوقت إذن لتطوير نموذج موحد بقدرة تنبؤية لعمليات الذوبان". هذا هو بالضبط هدف "Solvation Science @ RUB".

لقب أطلق عليه الرصاص

M. Grossman ، B. Born ، M. Heyden ، D. Tworowski ، G. Fields ، I. Sagi ، M. Havenith: الحركية الهيكلية المترابطة وديناميات المذيبات المتخلفة في موقع metalloprotease النشط. الطبيعة الهيكلية والبيولوجيا الجزيئية ، المنشور المتقدم عبر الإنترنت (AOP) ، دوى: 10.1038 / nsmb.2120 http://www.nature.com/nsmb/journal/vaop/ncurrent/abs/nsmb.2120.html

المصدر: بوخوم [RUB]