Diperhatikan "hidup": air adalah pemain aktif dalam enzim

UlVCLUZvcnNjaGVyIGJlcmljaHRlbiBpbiBOYXR1cmUgU3RydWN0dXJhbCAmIE1vbGVjdWxhciBCaW9sb2d5IFdhc3NlciB3aXJrdCBhbHMg4oCeS2xlYmVy4oCcIGluIGJpb2xvZ2lzY2hlbiBFbnp5bS1TdWJzdHJhdC1WZXJiaW5kdW5nZW4=

Dalam gabungan enzim-substrat yang aktif secara biologi, seperti yang terdapat dalam ubat-ubatan, air memainkan peranan yang lebih penting daripada yang difikirkan sebelum ini. Air di sekeliling bertindak seperti "gam" untuk memegang substrat di tempat yang betul untuk enzim. Untuk melakukan ini, dinamik air diperlahankan. Para saintis di RUB yang diketuai oleh Prof Dr. Martina Havenith (kimia fizikal), dengan kerjasama erat dengan saintis yang diketuai oleh Prof Dr. Irit Sagi dari Institut Weizmann Israel boleh memerhati dan membuktikan kelembapan dinamik air "hidup" buat kali pertama. Para penyelidik melaporkan keputusan mereka dalam "Biologi Struktur & Molekul Alam".

Apakah peranan yang dimainkan oleh pelarut?

Enzim adalah bahan semula jadi yang mempercepat dan mengawal proses metabolik dalam badan. Mereka, sebagai contoh, mempunyai kepentingan utama untuk sistem imun, kerana mereka mengawal keseimbangan antara mengaktifkan dan menghalang tindak balas pertahanan dan memainkan peranan utama dalam tindak balas keradangan. Telah lama diketahui bahawa fungsi enzimatik berlaku pada kelajuan yang sangat berbeza dalam pelarut yang berbeza. Walau bagaimanapun, setakat ini, sumbangan pelarut - dalam proses biologi, air - masih belum dijelaskan pada tahap molekul.

Dua teknik baru digabungkan

Kumpulan Prof. Havenith dan Prof. Sagi di Institut Biologi Struktur di Institut Weizmann telah menggabungkan dua teknik eksperimen yang baru dibangunkan untuk menunjukkan secara langsung kepentingan air untuk fungsi enzimatik. Subjek penyiasatan ialah metalloprotease matriks (MMP). Ia terletak di luar sel kita dalam apa yang dipanggil matriks ekstraselular, di mana mereka melaksanakan tugas pusat di peringkat molekul sebagai broker mesej, pengurus atau unit penyelenggaraan. Dengan memecahkan matriks ekstraselular, MMP terlibat secara aktif dan langsung dalam pembentukan semula tisu kita, contohnya dalam pertumbuhan embrio atau tumor dan dalam penyembuhan luka. Pelbagai bidang aplikasi yang mungkin menjadikan keluarga enzim ini sebagai titik permulaan untuk pembangunan ubat. "Bagaimanapun, mekanisme untuk mengaktifkan metalloprotease matriks setakat ini hanya tidak cukup diketahui pada tahap molekul, yang menjadikan replikasi sintetik lebih sukar," kata Prof. Havenith.

Analisis terperinci semua "pemain"

Untuk pemahaman yang tepat tentang proses pengaktifan, para penyelidik buat pertama kalinya menjalankan analisis komprehensif semua "pemain" yang terlibat: metalloprotease matriks sebagai "kenderaan enzim", substrat pengaktifannya - "molekul utama" - dan air sebagai pelarut yang menyebabkan Mengambil sebahagian besar persekitaran tindak balas. Dalam eksperimen itu, saintis meneliti pengikatan substrat kepada MMP. Dengan bantuan spektroskopi sinar-X yang diselesaikan masa, mereka dapat mencirikan perubahan struktur di sekitar pusat enzim aktif (di sini: atom zink) dengan resolusi atom. Menggunakan spektroskopi serapan THz kinetik (KITA), mereka merekodkan perubahan dalam pergerakan air yang pantas dari semasa ke semasa.

Pertimbangkan air dalam pembangunan dadah

Dengan kombinasi MMP-protein yang berbeza, terdapat korelasi yang jelas antara turun naik rangkaian air, perubahan struktur dan fungsi. Simulasi dinamik molekul memberikan penjelasan untuk pemerhatian: Selagi substrat belum mencapai "tempat yang betul" pada enzim, dinamik air, iaitu perubahan pasangan dalam molekul air ("tarian terahertz" air) masih laju. Pada masa yang sama dengan dok substrat ke pusat aktif, pergerakan air di kawasan itu menjadi perlahan dengan ketara. Air di sana bertindak seperti sejenis pelekat likat yang menahan substrat di tempatnya. Perubahan dalam tarian THz air dengan pembentukan ikatan enzim-substrat ini hanya diperhatikan dalam kes gabungan enzim-substrat yang aktif secara biologi. "Kelembaban dinamik air, yang disiasat buat kali pertama, oleh itu nampaknya merupakan bahagian penting dalam kawalan kefungsian," kata Prof. Havenith. "Oleh itu, adalah penting pada masa hadapan untuk mengambil kira peranan air dalam pembangunan ubat, contohnya untuk memerangi tumor."

"Sains Penyelesaian @ RUB"

Kerja ini disepadukan ke dalam fokus "Sains Penyelesaian @ RUB", topik bangunan penyelidikan ZEMOS yang disyorkan oleh Majlis Sains untuk pembiayaan, dari mana kumpulan aplikasi kecemerlangan RESOLV RUB muncul. Dalam kimia, kejuruteraan proses dan dalam biologi terdapat sejumlah besar penerbitan yang menganggap pelarut sebagai lengai

Huraikan media (pasif) untuk proses molekul. Walau bagaimanapun, di luar sudut pandangan tradisional ini, peranan aktif pelarut semakin jelas. Kaedah eksperimen dan teori baharu kini membenarkan penyelidikan, penerangan dan manipulasi sistematik struktur, dinamik dan kinetik fenomena penyelesaian kompleks pada tahap molekul. "Oleh itu sudah tiba masanya untuk membangunkan model seragam dengan kuasa ramalan untuk proses penyelesaian," kata Prof. Havenith. Itulah sebenarnya matlamat "Sains Penyelesaian @ RUB".

Title Shot

M. Grossman, B. Born, M. Heyden, D. Tworowski, G. Fields, I. Sagi, M. Havenith: Kinetik struktur berkorelasi dan dinamik pelarut terencat di tapak aktif metalloprotease. 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

Sumber: Bochum [RUB]