Учёные обнаружили, что ферменту E. coli необходимо движение для работы

Незначительные колебания, длящиеся всего миллисекунды, оказывают огромное влияние на функцию фермента, согласно новому исследованию учёных из Института Скриппс. Блокировка этих движений, без изменения общей структуры фермента или любых других его свойств, делает фермент неспособным проводить химические реакции.

Исследование, опубликованное 8 апреля 2011 года в журнале Science, дополняет растущее число доказательств важности движения для способности ферментов и других типов белков выполнять свою работу. Результаты также могут помочь учёным разрабатывать более специфичные и эффективные лекарства, нацеленные на ферменты.

Модельный фермент

Новое исследование изучало фермент дигидрофолатредуктазу (DHFR) из бактерии Escherichia coli, которую группа Райта использует как модель для понимания того, как ферменты катализируют химические реакции.

Бактериальные клетки не могут жить без DHFR, поэтому этот фермент является мишенью для многих антибиотиков. DHFR катализирует перенос гидрид-иона от кофактора NADPH к дигидрофолату (DHF) с образованием тетрагидрофолата (THF), необходимого для синтеза ДНК.

Связь движения с функцией

Для исследования учёные использовали спектроскопию ядерного магнитного резонанса (NMR) в сочетании с рентгеновской кристаллографией. NMR позволяет визуализировать движения белков в растворе в биологически значимом временном масштабе — от микросекунд до секунд.

Чтобы определить важность колебаний, команда создала мутантную версию фермента DHFR, которая предотвращала движение гибкой петли Met20. Учёные сравнили последовательность бактериального белка DHFR с человеческим ферментом, у которого петля Met20 более жёсткая, и на основе этого создали мутант.

Рентгеноструктурный анализ показал, что структура мутантного фермента почти идентична природному (wild type) ферменту. Однако анализ NMR выявил, что петля Met20 и другие части активного центра больше не были гибкими в мутанте.

Ключевой результат: мутантный фермент E. coli переносил гидрид со скоростью, в 16 раз меньшей, чем природный фермент — существенная потеря функции.

«Мы продемонстрировали, что блокировка движения в активном центре предотвращает катализ», — сказал Райт. Это первая демонстрация того, что движения играют роль в самой химии реакции.

Механизм и перспективы

Учёные полагают, что движения активного центра помогают сблизить молекулы NADPH и DHF, что делает перенос гидрид-иона более эффективным. Без движения молекулы недостаточно сближаются для протекания реакции.

Учёт движения при разработке лекарств для ингибирования или усиления функции фермента может привести к созданию более эффективных или специфичных препаратов. Например, различия в движениях бактериальной и человеческой DHFR можно использовать для разработки лекарств, специфичных к бактериальному ферменту, что может снизить серьёзные побочные эффекты.

«Идея в том, чтобы использовать эти движения в дизайне лекарств. Это сложная задача, но она может иметь огромное влияние», — добавила Бхабха.