"Live" novērots: ūdens ir aktīvs fermentu spēlētājs
UlVCLUZvcnNjaGVyIGJlcmljaHRlbiBpbiBOYXR1cmUgU3RydWN0dXJhbCAmIE1vbGVjdWxhciBCaW9sb2d5IFdhc3NlciB3aXJrdCBhbHMg4oCeS2xlYmVy4oCcIGluIGJpb2xvZ2lzY2hlbiBFbnp5bS1TdWJzdHJhdC1WZXJiaW5kdW5nZW4=
Bioloģiski aktīvās enzīmu-substrātu kombinācijās, piemēram, zālēs atrodamās, ūdenim ir izšķirošāka loma, nekā tika domāts iepriekš. Apkārtējais ūdens darbojas kā “līme”, lai substrātu noturētu vajadzīgajā fermenta vietā. Lai to izdarītu, ūdens dinamika tiek palēnināta. RUB zinātnieki ap prof. Dr. Martina Havenith (fizikālā ķīmija), ciešā sadarbībā ar zinātniekiem, kuru vada prof. Dr. Irits Sagi no Izraēlas Veizmana institūta pirmo reizi var "tiešraidē" novērot un pierādīt ūdens dinamikas palēnināšanos. Pētnieki ziņo par viņu rezultātiem rakstā "Nature Structural & Molecular Biology".
Kādu lomu spēlē šķīdinātājs?
Fermenti ir dabiskas vielas, kas paātrina un kontrolē vielmaiņas procesus organismā. Piemēram, tiem ir galvenā nozīme imūnsistēmā, jo tie kontrolē līdzsvaru starp aizsardzības reakciju aktivizēšanu un kavēšanu un spēlē galveno lomu iekaisuma reakcijās. Jau sen ir zināms, ka fermentu funkcijas dažādos šķīdinātājos notiek ļoti atšķirīgā ātrumā. Tomēr līdz šim šķīdinātāja - bioloģisko procesu, ūdens - ietekme molekulārajā līmenī vēl nav noskaidrota.
Divas jaunas tehnikas apvienojumā
Veizmana institūta strukturālās bioloģijas institūta profesora Havenith un prof Sagi grupas ir apvienojušas divas nesen izstrādātas eksperimentālās metodes, lai tieši parādītu ūdens nozīmi fermentatīvās funkcijās. Pētījuma priekšmets bija matricas metaloproteāzes (MMP). Tie atrodas ārpus mūsu šūnām tā sauktajā ārpusšūnu matricā, kur viņi veic galvenos uzdevumus molekulārā līmenī kā ziņojumu starpnieki, vadītāji vai uzturēšanas vienības. Sakarā ar ārpusšūnu matricas sadalīšanos, MMP ir aktīvi un tieši iesaistīti mūsu audu pārveidošanā, piemēram, embrija vai audzēja augšanā un brūču sadzīšanā. Daudzie iespējamie pielietojumi padara šo enzīmu saimi par zāļu attīstības sākumpunktu. "Tomēr matricas metaloproteāžu aktivizēšanas mehānisms līdz šim molekulārā līmenī ir bijis slikti izprasts, kas apgrūtina sintētisko replikāciju," saka prof Havenith.
Precīza visu "spēlētāju" analīze
Lai precīzi izprastu aktivācijas procesu, pētnieki ir veikuši visaptverošu visu iesaistīto “spēlētāju” analīzi: matricas metaloproteāze kā “enzīma nesējs”, tās aktivējošais substrāts - “galvenā molekula” - un ūdens kā šķīdinātājs kas izmet aizņem lielāko daļu reakcijas vides. Eksperimentā zinātnieki pārbaudīja substrāta saistīšanos ar MMP. Ar laika ziņā izšķirtu rentgena spektroskopijas palīdzību viņi ar atomu izšķirtspēju varēja raksturot strukturālās izmaiņas aktīvā enzīmu centra (šeit: cinka atoma) tuvumā. Izmantojot kinētisko THz absorbcijas spektroskopiju (KITA), viņi reģistrēja strauju ūdens kustību izmaiņas laika gaitā.
Zāļu izstrādes laikā ņemiet vērā ūdeni
Izmantojot dažādas MMP-olbaltumvielu kombinācijas, bija skaidra korelācija starp ūdens tīkla svārstībām, strukturālajām izmaiņām un funkciju. Molekulārās dinamikas simulācijas sniedza izskaidrojumu novērojumiem: kamēr substrāts vēl nav sasniedzis fermenta “pareizo vietu”, ūdens dinamika, ti, partnera izmaiņas ūdens molekulās (ūdens “teraherca deja”) joprojām ir ātrs. Vienlaikus ar pamatnes dokošanu uz aktīvo centru ūdens kustība šajā apgabalā ir ievērojami palēnināta. Ūdens tur darbojas kā sava veida viskoza līme, kas notur pamatni savā vietā. Šīs izmaiņas ūdens THz dejā ar fermentu-substrātu saites veidošanos tiek novērotas tikai ar bioloģiski aktīvām fermentu-substrātu kombinācijām. "Tāpēc ūdens dinamikas palēnināšanās, kas tika pētīta pirmo reizi, šķiet būtiska funkcionālās vadības sastāvdaļa," saka prof. Havenits. "Tāpēc nākotnē būs izšķiroši ņemt vērā ūdens lomu zāļu izstrādē, piemēram, cīņā pret audzējiem."
"Solvation Science @ RUB"
Šis darbs ir integrēts uzmanības centrā "Solvation Science @ RUB", kas ir tēma ZEMOS pētniecības ēkai, kuru ieteikusi Vācijas Zinātnes padome, no kuras izriet RUB izcilības kopums RESOLV. Ķīmijā, procesu inženierijā un bioloģijā ir milzīgs skaits publikāciju, kurās šķīdinātāji tiek izmantoti kā inerti
aprakstīt (pasīvos) barotnes molekulārajiem procesiem. Tomēr ārpus šīs tradicionālās perspektīvas aizvien aktīvāk parādās šķīdinātāja loma. Jaunas eksperimentālās un teorētiskās metodes tagad ļauj izpētīt, aprakstīt un sistemātiski manipulēt ar sarežģītu šķīdināšanas parādību struktūru, dinamiku un kinētiku molekulārā līmenī. "Tāpēc ir pienācis laiks izstrādāt vienotu modeli ar paredzamo jaudu solvācijas procesiem," saka prof Havenith. Tieši tāds ir "Solvation Science @ RUB" mērķis.
Nosaukums Shot
M. Grosmans, B. Dzimis, M. Heidens, D. Tvorovskis, G. Fīlds, I. Sagi, M. Havenits: Korelēta strukturālā kinētika un palēnināta šķīdinātāju dinamika metaloproteāzes aktīvajā vietā. Dabas strukturālā un molekulārā bioloģija, iepriekšēja tiešsaistes publikācija (AOP), doi: 10.1038 / nsmb.2120 http://www.nature.com/nsmb/journal/vaop/ncurrent/abs/nsmb.2120.html
Avots: Bochum [RUB]
