Observerad "levande": Vatten är en aktiv aktör i enzymer
UlVCLUZvcnNjaGVyIGJlcmljaHRlbiBpbiBOYXR1cmUgU3RydWN0dXJhbCAmIE1vbGVjdWxhciBCaW9sb2d5IFdhc3NlciB3aXJrdCBhbHMg4oCeS2xlYmVy4oCcIGluIGJpb2xvZ2lzY2hlbiBFbnp5bS1TdWJzdHJhdC1WZXJiaW5kdW5nZW4=
I biologiskt aktiva enzym-substratkombinationer, som de som finns i läkemedel, spelar vatten en mer avgörande roll än man tidigare trott. Det omgivande vattnet fungerar som ett "lim" för att hålla ett substrat på rätt plats för ett enzym. Dessutom bromsas dynamiken i vattnet. Forskare vid RUB under ledning av Prof. Dr. Martina Havenith (fysikalisk kemi), i nära samarbete med forskare under ledning av prof. Dr. Irit Sagi från det israeliska Weizmann-institutet observerade och bevisade nedgången i vattendynamiken "live" för första gången. Forskarna rapporterar om sina resultat i "Nature Structural & Molecular Biology".
Vilken roll spelar lösningsmedlet?
Enzymer är naturliga ämnen som påskyndar och kontrollerar metabola processer i kroppen. De är till exempel av central betydelse för immunförsvaret eftersom de styr balansen mellan aktiverande och hämmande försvarsreaktioner och spelar en stor roll vid inflammatoriska reaktioner. Det har länge varit känt att enzymatiska funktioner uppträder med mycket olika hastigheter i olika lösningsmedel. Än så länge har dock lösningsmedlets bidrag – i biologiska processer är det vatten – ännu inte klarlagts på molekylär nivå.
Två nya tekniker kombineras
Grupperna av Prof. Havenith och Prof. Sagi vid Weizmann-institutets Institute of Structural Biology har kombinerat två nyutvecklade experimentella tekniker för att direkt demonstrera vikten av vatten för enzymatiska funktioner. Studien fokuserade på matrismetalloproteaser (MMP). De är placerade utanför våra celler i den så kallade extracellulära matrisen, där de utför centrala uppgifter på molekylär nivå som meddelandeförmedlare, chefer eller underhållsenheter. Genom att bryta ner den extracellulära matrisen är MMP:erna aktivt och direkt involverade i ombyggnaden av vår vävnad, till exempel vid embryo- eller tumörtillväxt och i sårläkning. De många möjliga användningsområdena gör denna familj av enzymer till en utgångspunkt för läkemedelsutveckling. "Men mekanismen för att aktivera matrismetalloproteaserna är ännu inte tillräckligt känd på molekylär nivå, vilket försvårar syntetisk reproduktion", säger Prof. Havenith.
Exakt analys av alla "spelare"
För en exakt förståelse av aktiveringsprocessen har forskarna för första gången genomfört en omfattande analys av alla inblandade "aktörer": matrismetalloproteaset som "enzymvehikel", dess aktiverande substrat - "nyckelmolekylen" - och vattnet som det lösningsmedel som upptar större delen av reaktionsmiljön. I experimentet undersökte forskarna bindningen av substratet till MMP. Med hjälp av tidsupplöst röntgenspektroskopi kunde man karakterisera de strukturella förändringarna i närheten av det aktiva enzymcentret (här: zinkatomen) med atomupplösning. Med hjälp av kinetisk THz-absorptionsspektroskopi (KITA) registrerade de förändringarna i de snabba vattenrörelserna över tid.
Tänk på vatten vid läkemedelsutveckling
För olika MMP-proteinkombinationer fanns ett tydligt samband mellan fluktuationerna i vattennätet, de strukturella förändringarna och funktionen. Molekyldynamiksimuleringar gav en förklaring till observationerna: Så länge som substratet ännu inte har kommit till "rätt plats" för enzymet, är vattendynamiken, dvs bytet av partners i vattenmolekylerna ("terahertz-dansen" av vatten ) är fortfarande snabb . Samtidigt med dockningen av substratet till det aktiva centret bromsas vattenrörelsen i området avsevärt. Vattnet fungerar där som ett slags trögflytande lim som håller substratet på plats. Denna förändring i vattnets THz-dans med bildandet av enzym-substratbindningen observeras endast med biologiskt aktiva enzym-substratkombinationer. "Avbromsningen av vattendynamiken, som undersöktes för första gången, verkar därför vara en väsentlig del av den funktionella kontrollen", säger prof. Havenith. "Det kommer därför att vara avgörande i framtiden att ta hänsyn till vattnets roll i utvecklingen av läkemedel, till exempel för att bekämpa tumörer."
“Solvation Science@RUB”
Detta arbete är integrerat i "Solvation Science@RUB"-fokus, ämnet för ZEMOS-forskningsbyggnaden som rekommenderas av Science Council för finansiering, från vilken RUB:s RESOLV-kluster av excellensapplikation också kommer fram. Inom kemi, kemiteknik och biologi finns det ett enormt antal publikationer som anser att lösningsmedel är inerta
beskriva (passiva) medier för molekylära processer. Utöver denna traditionella syn blir emellertid lösningsmedlets aktiva roll allt tydligare. Nya experimentella och teoretiska metoder tillåter nu undersökning, beskrivning och systematisk manipulation av strukturen, dynamiken och kinetiken för komplexa solvatiseringsfenomen på molekylär nivå. "Det är därför dags att utveckla en enhetlig modell med prediktiv kraft för lösningsprocesser", säger Prof. Havenith. Detta är precis målet med "Solvation Science@RUB".
Titel Shot
Grossman M, Born B, Heyden M, Tworowski D, Fields G, Sagi I, Havenith M: Korrelerad strukturkinetik och retarderad lösningsmedelsdynamik vid det aktiva metalloproteasstället. 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
Källa: Bochum [RUB]
