Observado "en vivo": a auga é un actor activo das encimas

UlVCLUZvcnNjaGVyIGJlcmljaHRlbiBpbiBOYXR1cmUgU3RydWN0dXJhbCAmIE1vbGVjdWxhciBCaW9sb2d5IFdhc3NlciB3aXJrdCBhbHMg4oCeS2xlYmVy4oCcIGluIGJpb2xvZ2lzY2hlbiBFbnp5bS1TdWJzdHJhdC1WZXJiaW5kdW5nZW4=

Nas combinacións de enzimas bioloxicamente activas, como as que se atopan nos medicamentos, a auga xoga un papel máis crucial do que se pensaba. A auga circundante actúa como un "pegamento" para manter un substrato no lugar correcto dunha enzima. Ademais, ralentízase a dinámica da auga. Os investigadores do RUB dirixidos polo profesor Dr. Martina Havenith (química física), en estreita cooperación cos científicos dirixidos polo profesor Dr. Irit Sagi, do Instituto Weizmann israelí, observou e demostrou a desaceleración da dinámica da auga "en vivo" por primeira vez. Os investigadores informan dos seus resultados en "Nature Structural & Molecular Biology".

Que papel xoga o disolvente?

As encimas son substancias naturais que aceleran e controlan os procesos metabólicos do corpo. Por exemplo, son de importancia central para o sistema inmunitario porque controlan o equilibrio entre a activación e a inhibición das reaccións de defensa e desempeñan un papel importante nas reaccións inflamatorias. Hai tempo que se sabe que as funcións enzimáticas ocorren a velocidades moi diferentes en diferentes disolventes. Ata o momento, con todo, a achega do disolvente -nos procesos biolóxicos é a auga- aínda non se aclarou a nivel molecular.

Dúas novas técnicas combinadas

Os grupos do profesor Havenith e do profesor Sagi do Instituto de Bioloxía Estrutural do Instituto Weizmann combinaron dúas técnicas experimentais recentemente desenvolvidas para demostrar directamente a importancia da auga para as funcións enzimáticas. O estudo centrouse nas metaloproteases da matriz (MMP). Localízanse fóra das nosas células no que se coñece como matriz extracelular, onde realizan tarefas centrais a nivel molecular como intermediarios de mensaxes, xestores ou unidades de mantemento. Ao romper a matriz extracelular, as MMP están implicadas de forma activa e directa na remodelación do noso tecido, por exemplo no crecemento de embrións ou tumores e na cicatrización de feridas. As numerosas posibles áreas de aplicación fan desta familia de encimas un punto de partida para o desenvolvemento de fármacos. "Porén, o mecanismo para activar as metaloproteases da matriz aínda non é suficientemente coñecido a nivel molecular, o que dificulta a reprodución sintética", di o profesor Havenith.

Análise exacta de todos os "xogadores"

Para unha comprensión precisa do proceso de activación, os investigadores realizaron por primeira vez unha análise exhaustiva de todos os "xogadores" implicados: a metaloprotease da matriz como "vehículo enzimático", o seu substrato activador -a "molécula clave"- e a auga como disolvente, que ocupa a maior parte do ambiente de reacción. No experimento, os científicos examinaron a unión do substrato ao MMP. Coa axuda da espectroscopia de raios X resolta no tempo, puideron caracterizar os cambios estruturais nas proximidades do centro enzimático activo (aquí: o átomo de cinc) con resolución atómica. Coa axuda da espectroscopia de absorción cinética THz (KITA), rexistraron os cambios nos movementos rápidos da auga ao longo do tempo.

Considere a auga no desenvolvemento de medicamentos

Para diferentes combinacións MMP-proteína, houbo unha clara correlación entre as flutuacións na rede de auga, os cambios estruturais e a función. As simulacións de dinámica molecular proporcionaron unha explicación para as observacións: mentres o substrato aínda non chegou ao "lugar correcto" do encima, a dinámica da auga, é dicir, o cambio de socios nas moléculas de auga (a "danza de terahercios" da auga). ) aínda é rápido . Simultaneamente ao atraque do substrato ao centro activo, o movemento da auga na zona redúcese significativamente. A auga actúa alí como unha especie de cola viscosa que mantén o substrato no seu lugar. Este cambio na danza THz da auga coa formación do enlace enzima-substrato só se observa con combinacións enzima-substrato bioloxicamente activas. "A ralentización da dinámica da auga, que se investigou por primeira vez, parece, polo tanto, unha parte esencial do control funcional", di o profesor Havenith. "Por iso será fundamental no futuro ter en conta o papel da auga no desenvolvemento de fármacos, por exemplo para combater os tumores".

“Solvation Science@RUB”

Este traballo está integrado no foco "Solvation Science@RUB", o tema do edificio de investigación ZEMOS recomendado polo Consello Científico para o seu financiamento, do que tamén xorde o clúster de aplicación de excelencia RESOLV da RUB. En química, enxeñaría química e bioloxía hai un inmenso número de publicacións que consideran que os disolventes son inertes.

describir medios (pasivos) para procesos moleculares. Máis aló desta visión tradicional, con todo, o papel activo do disolvente é cada vez máis evidente. Novos métodos experimentais e teóricos permiten agora a investigación, descrición e manipulación sistemática da estrutura, dinámica e cinética de fenómenos de solvatación complexos a nivel molecular. "Por iso é hora de desenvolver un modelo uniforme con poder preditivo para os procesos de solvatación", di o profesor Havenith. Este é exactamente o obxectivo de "Solvation Science@RUB".

gravación título

Grossman M, Born B, Heyden M, Tworowski D, Fields G, Sagi I, Havenith M: cinética estrutural correlacionada e dinámica de disolvente retardada no sitio activo da metaloprotease. 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

Fonte: Bochum [RUB]