Исследователи говорят, что их результаты могут объяснить, почему усилия по разработке лекарств, нацеленных на ферменты, которые участвуют в болезни Паркинсона и паразитарных инфекциях, до сих пор не увенчались успехом. Резюме их исследования будет опубликовано в журнале Cell в декабре.
5.
«Именно свойства, которые будут рассматриваться как проблема для большинства ферментов, – это именно то, что придает ромбовидным протеазам их уникальную функцию в клетке», – говорит Синиса Урбан, доктор философии.D., доцент кафедры молекулярной биологии и генетики медицинского факультета и Медицинского института Говарда Хьюза. «Наши результаты показывают, что для улавливания и разрезания всех нестабильных белков в клеточных мембранах ромбовидные протеазы должны« останавливать и обыскивать »их все без разбора, и их скорость сокращения должна быть достаточно низкой, чтобы позволить стабильным белкам ускользнуть без повреждений."
Ферменты – это, по сути, белки, которые модифицируют молекулы, такие как другие белки. Сравнивая ферменты, ученые анализируют их эффективность, которая зависит от двух факторов: «магнетизма» или притяжения между ферментом и его «добычей» и скорости, с которой фермент вносит свои изменения.
Большинство ферментов работают в водянистой среде, поэтому их относительно легко изучать в лабораториях.
Однако масляный слой молекул жира, который создает границу между внутренней и внешней частью клетки, представляет собой совершенно другую среду. Он толще; ему не хватает воды, которая обычно требуется для работы ферментов; и он двумерный, что ограничивает расположение ферментов и их жертв. Несмотря на эти различия, многие исследователи предполагали, что все ферменты работают одинаково, независимо от того, находятся ли они в водянистой или масляной среде.
Чтобы исследовать это предположение, команде Урбана нужно было проверить скорость ромбовидных протеаз. Но Сет Дики, доктор философии.D., ведущий автор исследования объясняет, что измерение скорости мембранного фермента традиционным способом было чем-то вроде того, как если бы люди начали гонку в туннеле длиной в милю, где его нельзя увидеть. «У нас не было инструментов, которые позволили бы нам увидеть начало гонки, когда ферменты работают быстрее всех и только начинают свою работу», – говорит он.
Чтобы преодолеть эту трудность, команда Урбана сначала синхронизировала ферменты, настроив их «гонку» в кислых условиях, что инактивирует ромбовидные протеазы. Таким образом, исследователи смогли отключить фермент и удерживать его, пока они не нейтрализовали кислотность, когда они были готовы начать наблюдение за гонкой.
По словам Урбана, то, что увидела команда, было одним из самых медленных ферментов за всю историю. На каждый надрез у них уходило более двух с половиной минут, в то время как для большинства ферментов требуется всего сотые доли секунды. Помимо того, что эти ферменты были медленными, они не проявляли влечения к одним белкам по сравнению с другими, как это делает большинство ферментов.
Хотя эти результаты были неожиданными, Урбан считает, что есть разумное объяснение.
По его мнению, в норме ромбовидные протеазы, вероятно, действуют как ферменты контроля качества, которые расщепляют нестабильные белки до того, как они могут нанести какой-либо ущерб организму. В водной среде нестабильные белки довольно шаткие, легко распознаются и разрушаются другими ферментами контроля качества. Распознать нестабильные белки в масляной среде труднее, потому что молекулы жира поддерживают белки и придают им вид стабильных.
Из своей предыдущей работы команда знает, что ромбовидные протеазы напоминают заполненные водой бочки с боковыми воротами для входа белка.
Их последняя работа предполагает, что как стабильные, так и нестабильные белки попадают в боковые ворота. Стабильные белки, вероятно, останутся нетронутыми и уйдут обратно в мембрану до того, как у медленных ножниц фермента появится шанс их защемить, в то время как нестабильные белки начнут колебаться в водянистой внутренней части и с трудом покидают цилиндр фермента. Там фермент обрежет их, позволяя клетке перерабатывать их на запчасти.
«Мы надеемся, что этот новый метод синхронизации ферментов и сделанные нами выводы будут широко применены ко всем встроенным в мембрану ферментам», – говорит Урбан.
Он отмечает, что встроенные в мембраны ферменты включают ферменты, которые участвуют в большом количестве заболеваний: от болезни Альцгеймера до лейкемии и вирусных, бактериальных и грибковых инфекций. Например, гамма-секретаза – это мембранный фермент, отвечающий за переработку белка бета-амилоида.
Отсечение бета-амилоида в неправильном месте, по-видимому, приводит к скоплениям белка в головном мозге пациентов с болезнью Альцгеймера. Урбан говорит, что правильное понимание мембранных ферментов имеет первостепенное значение для поиска лекарств, которые изменяют их поведение.