Ученые раскрыли внутреннюю работу антиоксидантного фермента с терапевтическим потенциалом
Митохондрии, вырабатывая энергию для клеток, также производят реактивные формы кислорода (ROS). В высоких концентрациях ROS вызывают окислительное повреждение и могут убивать клетки. Избыток ROS связан с различными заболеваниями, включая рак, неврологические расстройства и болезни сердца.
Фермент марганец-зависимая супероксиддисмутаза (MnSOD) снижает уровень ROS в митохондриях, предотвращая окислительное повреждение. Более четверти известных ферментов также полагаются на перенос электронов и протонов, но их механизмы часто неясны из-за сложности наблюдения за движением протонов.
Исследователи из Университета Небраски (UNMC) и Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США впервые полностью определили атомную структуру MnSOD, включая расположение протонов, с помощью нейтронного рассеяния. Результаты, опубликованные в Nature Communications, показывают, как протоны используются в качестве инструментов для переноса электронов и снижения уровня ROS. Эта работа может помочь в разработке методов лечения на основе MnSOD и лекарств, имитирующих его антиоксидантное действие.
"Используя нейтроны, мы увидели совершенно неожиданные особенности MnSOD. Мы считаем, что это революционизирует представления о работе этого и подобных ему ферментов", — заявила Глория Боргсталь, профессор UNMC и автор-корреспондент исследования.
MnSOD воздействует на супероксид — реактивную молекулу, образующуюся в митохондриях и являющуюся предшественником других вредных ROS. Активный сайт фермента превращает супероксид в менее токсичные продукты, используя ион марганца для переноса электронов. Ион марганца может "украсть" электрон у молекулы супероксида, превратив ее в кислород, а затем отдать этот электрон другой молекуле супероксида, образуя перекись водорода.
Для этой биохимической реакции необходима серия перемещений протонов между аминокислотами фермента и другими молекулами в активном сайте. До сих пор каталитический механизм фермента не был определен на атомном уровне из-за сложностей в отслеживании переноса протонов.
Нейтроны идеально подходят для этой задачи, поскольку они чувствительны к легким элементам, таким как водород, и могут точно определять движение протонов. В отличие от других методов (например, рентгеновских лучей), нейтроны не взаимодействуют с электронами и не вызывают радиационного повреждения образца.
"Нейтроны не взаимодействуют с зарядом и не влияют на электронные свойства металлов, что делает их идеальным зондом для анализа металлосодержащих ферментов, таких как MnSOD", — пояснил Лейтон Коутс, ученый ORNL.
Используя прибор MaNDi на источнике нейтронов SNS в ORNL, команда смогла:
- Построить полную атомную структуру MnSOD.
- Отследить, как протоны фермента меняются при потере или приобретении электрона.
- Проследить пути протонов вокруг активного сайта.
- Предложить модель каталитического механизма.
Анализ показал, что катализ включает два внутренних переноса протона между аминокислотами фермента и два внешних переноса от молекул растворителя. Результаты подтвердили некоторые прошлые предсказания, но также выявили неожиданные аспекты, бросающие вызов прежним представлениям.
Например, было обнаружено циклическое перемещение протонов между аминокислотой глутамином и молекулой воды, связанной с марганцем. Это взаимодействие является центральной частью каталитического процесса, позволяя ферменту переключаться между двумя электронными состояниями. Исследователи также обнаружили необычное расположение протонов в активном сайте — у нескольких аминокислот протонов не было там, где они обычно находятся.
"Наши результаты показывают, что этот механизм более сложен и нетипичен, чем предполагалось ранее", — отметил Джахан Азадманеш, соавтор исследования из UNMC.
Следующие шаги проекта включают:
- Изучение структуры фермента, связанного с субстратом (супероксидом).
- Исследование мутировавших компонентов MnSOD для понимания роли каждой аминокислоты.
- Расширение нейтронного анализа на другие ферменты, использующие перенос электронов и протонов.
"MnSOD — лишь один фермент в море многих других. С помощью нейтронов мы можем изучать их каталитические механизмы с недоступным ранее уровнем детализации", — заключил Азадманеш.