Трудски журнал онлајн Клуб на журнали - вода на патот
Карин Холикер
Марбург: Молекулите на водата се одлучувачки за врските помеѓу протеините и лигандите. Затоа, хемичарите и фармацевтите многу внимателно ги разгледуваат.
Неутронска кристалографија, калориметрија, енталпија, ентропија - ова се главните зборови што буквално му се приближуваат на читателот од написот на Јоханес Шибел и неговите колеги од Универзитетот Филипс во Марбург (Нат. Комуника. 9: 3559). Зборови што веднаш имплицираат: овде станува комплицирано. „Нашите статии се скоро секогаш многу тешки за читање“, вели постариот автор Герхард Клебе, кој спроведува истражување на Институтот за фармацевтска хемија на Универзитетот во Марбург. „Но, ако гризете, навистина ќе добиете нешто од тоа.“ Добро, ја прифаќаме поканата.
Клебе и неговите колеги во работната група за дизајн на лекови сакаат да ги оптимизираат активните фармацевтски состојки - и тоа не само од вчера. Во професионалната кариера на Клебе, сè се вртеше околу образованието и подобрувањето на ефектите од лекови: студирала хемија, една година на извор на неутрони во Гренобл, постдоктори во кристалографија, повеќе од десет години на БАСФ, од 1996 година на Универзитетот во Марбург и автор на реномираниот учебник " Дизајн на активна состојка ".
Протеините, исто така, мора да ги извлечат молекулите на водата од патот, со цел да ги врзат лигандите. Фото: iStock/cactuseskimo
Најновата публикација на неговата работна група, исто така, се занимава со комплексни врски на врски помеѓу протеини и лиганди, поточно со ензими и инхибитори. Експериментите се комплицирани - затоа истражувачите барале „едноставен“ протеин: трипсин. Овој ензим спаѓа во класата на серински протеази и може да биде инхибиран од N-амидинопиперидин и бензамидин.
Фармацевтите и хемичарите велат, меѓу другото, водата одредува дали две молекули совршено се вклопуваат заедно како клуч и брава. Бидејќи клеточните протеини работат во воден раствор и соодветно се високо хидрирани, интуитивно е очигледно дека лиганд кој сака да се поврзе, прво мора да создаде простор и да придвижи неколку молекули на вода. Сепак, оваа теза сè уште не е темелно докажана експериментално. Барем потврда беше обезбедена од страна на ензимот тромбин, исто така серинска протеаза која е важна за згрутчување на крвта. Откако индивидуалните молекули на вода беа извадени од врзувачкиот џеб на тромбинот, врзувачкото однесување на инхибиторите драматично се подобри. Ова откритие доведе до развој на поефикасни антикоагуланси.
„Сè додека не знаеме каде се молекулите на водата и како се менува нивната позиција, нашето знаење за интеракцијата помеѓу протеините и нивните партнери за врзување останува нецелосно“, објаснува Клебе. „Требаше да ги искористиме методите до крај за да го опишеме однесувањето на молекулите на вода на трипсинот.“ И со тоа, тимот на Марбург и колегите во Genенова, Јулих, Хамбург и Минхен пополнија 15 страници - плус додаток!
Врзувачката студија започна со термодинамички анализи. И покрај тоа што е одамна познато дека термодинамичките фактори имаат одлучувачко влијание врз однесувањето на врзувањето, тие се само малку проучени. Премногу комплицирано. Формулата што се користи за да се опише термодинамичкиот процес кога две молекули се врзуваат, изгледа навистина едноставна: ∆G ° = ∆H ° - T∆S °.
∆G, разликата во енергијата на Гибс помеѓу слободната и врзаната состојба, ја одредува реакцијата. Оваа разлика е составена од разликата помеѓу енталпијата H ° и ентропијата S °. Енталпија е сите енергии содржани во системот при постојан притисок. Ентропијата ја опишува состојбата на редот во системот. Според вториот закон за термодинамика, реакцијата се одвива доброволно кога ∆S се стреми кон нула, т.е. Г станува помал поради реакцијата.
Што значи ова за протеините и лигандите? Силната врска секогаш се поврзува со мала енергија на Гибс, разликата ∆G помеѓу слободните и врзаните молекули тогаш е јасно негативна. Оваа разлика во енергијата може да се докаже како пренос на топлина со употреба на калориметрија на изотермална титрација (ITC). Врзивните партнери се титрираат на постојана температура и количината на топлина што се создава кога се формира комплексот се мери со калориметар. Денес калориметрите се толку чувствителни што можат да се користат за откривање на количина на топлина по редослед на големината на микрокалориите. Мерењето на топлината е едноставен експеримент и софтверот на уредот сигурно обезбедува reliaH °, константа на врзување, а со тоа и енергија на Гибс. Но, тоа не е сè. Цврстиот орев што се крши е евалуација: кои атоми или врски даваат кој придонес кон која енергија се менува?
Ако лиганд помести силно фиксирана молекула на вода и се појават нови хидрофобни интеракции, добивката во ентропијата е поголема отколку ако мора да попушти помалку цврсто врзаната молекула на вода. „За жал, енталпијата и ентропијата често работат едни против други“, објаснува Клебе. Со цел да се оптимизира врската, затоа не е доволно да се модифицира лиганд на таков начин што само ентропијата се намалува. „Треба да се разгледа промената во разликите помеѓу ентропијата и енталпијата“.
Во Марбург, Тобијас Вулсдорф, хемичар со способност за компјутерски науки, навистина испушти пареа во системот за термодинамичка формула на врската со инхибитор на трипсин. Тој покажа дека посилното врзување на бензамидин во споредба со инхибиторот на пиперидин е енталпично поволно.
За да ја илустрираат улогата на молекулите на водата, авторите утврдиле кристални структури. Обично за ова се користат рендгенски зраци. Според Клебе, сепак, ова не е доволно чувствително за прецизно да ги локализира молекулите на водата. Затоа тие користеле зрачење од изворот на неутрони на Техничкиот универзитет во Минхен. За неутронска кристалографија потребни се многу големи протеински кристали. Правењето на овие е уметност. Со „златни прсти“, ентузите Клебе, првиот автор, а потоа и пост-докторски студент Јоханес Шибел создал кристали од трипсин - со и без лиганди. Клебе: „Најголемата работа во врска со дифракцијата на неутронот е што зрачењето не ги уништува протеинските кристали и мерењата можат да бидат прекинати, а потоа да продолжат. Можевме да мериме на кристал со недели - со прекини - и на тој начин да постигнеме резолуција помала од 1,5 Ангстром. Овие се најдобро решените неутронски структури што досега биле извршени врз протеини со оваа големина “.
Дознајте повеќе за нашите нови производи и нарачајте го новиот каталог 2021 денес на. повеќе
Но, тоа не е сè: хемичарите ги утврдија и структурите на кристалот на Х-зраци. Голем предизвик беше да се извршат мерењата на Х-зраци, како што е дифракцијата на неутронот на собна температура, така што податоците може да се споредат и комбинираат потоа. Клебе: „Можевме да пресметаме комбинирана структура X-N (белешка на уредникот: X значи Х-зраци, N за неутрони) од податоците на Х-зраците и неутроните и да ги користиме со термодинамичките податоци за компјутерски симулации“.
Тимот пронашол девет молекули на вода околу аспартатот 189 во врзувачкиот џеб на трипсинот. Три се директно во врзувачкиот џеб на трипсинот, четири повеќе се повеќе или помалку зад аспартатот и служат како „резервоар“ ако се изгуби една од внатрешните молекули. Што лесно може да се случи, бидејќи внатрешните молекули на вода не се толку цврсто врзани со само две водородни врски како надворешните со три. Останатите се малку подалеку.
Истражувачите од Марбург покажаа дека инхибиторот ја поместува молекулата на водата кога се врзува. Како резултат, се менува ориентацијата на друга молекула на вода: Се приближува до тирозин 228, создавајќи нова водородна врска. Како резултат, тој е поцврсто фиксиран и не може повеќе да се ротира, што резултира со „ентропична казна“, како што пишуваат авторите. Овие и многу други многу детални набудувања покажаа кои водородни врски и хидрофобните интеракции се расипуваат со сложено формирање и кои се новосоздадени. Клебе: „Ние веруваме дека водните структури во протеините и состојбите на полнење на аспартатот се одговорни за различните сврзувачки афинитети на двата инхибитори на трипсинот“.
Искуството што Клебе го стекна со текот на годините на универзитетите и во индустријата не треба да се користи исклучиво во хартија во иднина. Во март, поранешните вработени во Клебе со негова поддршка ја основаа компанијата КристалсФрст. Целта е да се користи нова технологија позната како „SmartSoak“ за да се стабилизираат протеинските кристали, да се одреди нивната 3Д структура и на тој начин да се помине преку собирање кандидати за лекови со помош на софтвер. „На овој начин, геометриските податоци што се од суштинско значење за современите фармацевтски истражувања можат да бидат доставени брзо и, пред сè, со сигурност во многу рана фаза од пребарувањето на лекови, а големиот напор вклучен во потрагата по лекови е значително намален“, се вели во соопштението за печат на основачот на компанијата. Да видиме дали тоа се остварува.
(Нецелосната) работна група на хемичар Герхард Клебе (грб, отворена јакна) сака да оди на турнеја со откритија: Особено им се допаѓаат кристалите - без разлика дали се во пештери или со протеини. Фото: АГ Клебе