"Live" observeret: Vand er en aktiv spiller af enzymer
UlVCLUZvcnNjaGVyIGJlcmljaHRlbiBpbiBOYXR1cmUgU3RydWN0dXJhbCAmIE1vbGVjdWxhciBCaW9sb2d5IFdhc3NlciB3aXJrdCBhbHMg4oCeS2xlYmVy4oCcIGluIGJpb2xvZ2lzY2hlbiBFbnp5bS1TdWJzdHJhdC1WZXJiaW5kdW5nZW4=
I biologisk aktive enzym-substratkombinationer, såsom dem der findes i medikamenter, spiller vand en mere afgørende rolle end tidligere antaget. Det omgivende vand fungerer som en "lim" til at holde et substrat på det rigtige sted for et enzym. For at gøre dette nedsættes vandets dynamik. Forskere ved RUB omkring professor Dr. Martina Havenith (fysisk kemi) i tæt samarbejde med forskere ledet af professor Dr. Irit Sagi fra det israelske Weizmann-institut kan observere og bevise afmatningen af vanddynamikken "live" for første gang. Forskerne rapporterer om deres resultater i "Nature Structural & Molecular Biology".
Hvilken rolle spiller opløsningsmidlet?
Enzymer er naturlige stoffer, der fremskynder og styrer metaboliske processer i kroppen. For eksempel er de af central betydning for immunsystemet, da de styrer balancen mellem aktivering og hæmning af forsvarsreaktioner og spiller en vigtig rolle i inflammatoriske reaktioner. Det har længe været kendt, at enzymatiske funktioner finder sted ved meget forskellige hastigheder i forskellige opløsningsmidler. Indtil videre er opløsningsmidlets bidrag - i biologiske processer, vandet - endnu ikke klarlagt på molekylært niveau.
To nye teknikker kombineret
Grupperne af Prof. Havenith og Prof. Sagi ved Institut for Strukturbiologi ved Weizmann Instituttet har kombineret to nyudviklede eksperimentelle teknikker for direkte at demonstrere vandets betydning for enzymatiske funktioner. Genstand for undersøgelsen var matrixmetalloproteaser (MMP). De er placeret uden for vores celler i den såkaldte ekstracellulære matrix, hvor de udfører centrale opgaver på molekylært niveau som meddelelsesmæglere, ledere eller vedligeholdelsesenheder. Ved at nedbryde den ekstracellulære matrix er MMP aktivt og direkte involveret i omstruktureringen af vores væv, for eksempel i embryo- eller tumorvækst og i sårheling. De mange mulige anvendelsesområder gør denne enzymfamilie til et udgangspunkt for lægemiddeludvikling. "Imidlertid er mekanismen til aktivering af matrixmetalloproteaserne indtil videre kun utilstrækkelig kendt på molekylært niveau, hvilket gør syntetisk replikering vanskeligere," siger prof. Havenith.
Detaljeret analyse af alle "spillere"
For en præcis forståelse af aktiveringsprocessen har forskerne for første gang foretaget en omfattende analyse af alle de involverede "spillere": matrixmetalloproteasen som et "enzymbærer", dets aktiverende substrat - "nøglemolekylet" - og vand som det opløsningsmiddel, der forårsager det. Optager det meste af reaktionsmiljøet. I eksperimentet undersøgte forskerne bindingen af substratet til MMP. Ved hjælp af tidsopløst røntgenspektroskopi var de i stand til at karakterisere de strukturelle ændringer i nærheden af det aktive enzymcenter (her: zinkatomet) med atomopløsning. Ved hjælp af kinetisk THz absorptionsspektroskopi (KITA) registrerede de ændringer i de hurtige vandbevægelser over tid.
Overvej vand i lægemiddeludviklingen
Med forskellige MMP-proteinkombinationer var der en klar sammenhæng mellem udsvingene i vandnetværket, de strukturelle ændringer og funktionen. Molekylær dynamik simuleringer gav en forklaring på observationerne: Så længe substratet endnu ikke har nået det ”rigtige sted” på enzymet, ændrer vanddynamikken, dvs. partnerens ændring i vandmolekylerne (”terahertz dans” af vandet) er stadig hurtig. Samtidig med docking af substratet til det aktive center, nedsættes vandbevægelsen i miljøet betydeligt. Vandet der fungerer som en slags viskøst klæbemiddel, der holder substratet på plads. Denne ændring i THz-dansen af vandet med dannelsen af enzym-substratbinding observeres kun i tilfælde af biologisk aktive enzym-substrat-kombinationer. "Afmatningen af vanddynamikken, som blev undersøgt for første gang, ser ud til at være en væsentlig del af den funktionelle kontrol," siger prof. Havenith. "Det vil derfor være afgørende i fremtiden at tage hensyn til vandets rolle i udviklingen af lægemidler, for eksempel til bekæmpelse af tumorer."
"Solvation Science @ RUB"
Dette arbejde er integreret i fokus "Solvation Science @ RUB", emnet for ZEMOS-forskningsbygningen, der anbefales af Science Council til finansiering, hvorfra RUB's RESOLV-klynge af ekspertise-applikation kommer frem. Inden for kemi, procesteknik og biologi er der et enormt antal publikationer, der betragter opløsningsmidler som inaktive
Beskriv (passive) medier til molekylære processer. Ud over dette traditionelle synspunkt bliver opløsningsmidlets aktive rolle imidlertid mere og mere tydelig. Nye eksperimentelle og teoretiske metoder tillader nu forskning, beskrivelse og systematisk indflydelse af strukturen, dynamikken og kinetikken i komplekse opløsningsfænomener på molekylært niveau. "Det er derfor på tide at udvikle en ensartet model med forudsigelig kraft til solvationsprocesser," siger professor Havenith. Det er netop målet med "Solvation Science @ RUB".
Titel Shot
M. Grossman, B. Born, M. Heyden, D. Tworowski, G. Fields, I. Sagi, M. Havenith: Korreleret strukturel kinetik og forsinket opløsningsmiddeldynamik ved det metalloprotease aktive sted. 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
Kilde: Bochum [RUB]
