Фермент, называемый супероксиддисмутазой марганца, или MnSOD, использует механизм, включающий перенос электронов и протонов на более низкие уровни ROS в митохондриях, тем самым предотвращая окислительное повреждение и поддерживая здоровье клеток. Более четверти известных ферментов также полагаются на перенос электронов и протонов для облегчения клеточной активности, необходимой для здоровья человека.
Однако большинство их механизмов неясны из-за трудностей с наблюдением за движением протонов.
Исследователи из Медицинского центра Университета Небраски (UNMC) и Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики (DOE) (ORNL) теперь наблюдали полную атомную структуру MnSOD, включая его протонную структуру, с рассеянием нейтронов. Результаты, опубликованные в Nature Communications, показывают, как протоны используются в качестве инструментов, помогающих MnSOD переносить электроны для снижения уровней АФК. Работа может помочь экспертам разработать методы лечения на основе MnSOD и разработать терапевтические препараты, имитирующие его антиоксидантное поведение.
Нейтронное исследование также открывает возможности для изучения других ферментов, которые используют перенос электронов и протонов.
«Используя нейтроны, мы смогли увидеть совершенно неожиданные особенности MnSOD, и мы считаем, что это революционизирует то, как люди думают, что этот фермент и другие подобные ему ферменты работают», – сказала Глория Боргшталь, профессор UNMC и автор нового исследования.
MnSOD действует, воздействуя на супероксид, реактивную молекулу, которая просачивается в процессе производства энергии митохондрий и является химическим предшественником других вредных АФК. Активный центр фермента превращает супероксид в менее токсичные продукты, используя ион марганца для перемещения электронов к реактивной молекуле и от нее.
Ион марганца способен украсть электрон у молекулы супероксида, превратив его в кислород. Затем украденный электрон можно передать другому супероксиду, чтобы получить перекись водорода.
Чтобы эта биохимическая реакция сработала, необходимо, чтобы между аминокислотами фермента и другими молекулами в его активном центре произошел ряд движений протонов.
Протоны действуют как инструменты, позволяющие электронам двигаться. До сих пор последовательность переносов электронов и протонов ферментом, также известная как его каталитический механизм, не была определена на атомном уровне из-за проблем с отслеживанием того, как протоны перемещаются между молекулами. Фундаментальное понимание этого каталитического процесса может помочь терапевтическим подходам, использующим антиоксидантные способности этого фермента.
Перенос протонов нелегко увидеть, потому что они происходят в форме атомарного водорода, который с помощью рентгеновских лучей и других методов наблюдения за атомами трудно обнаружить. Нейтроны, с другой стороны, чувствительны к более легким элементам, таким как водород, и поэтому могут точно определять движения протонов. Нейтроны также хорошо подходят для этого исследования, потому что они не взаимодействуют с электронами, в отличие от других методов визуализации атомов.
Таким образом, их можно использовать для изучения внутренней работы ферментов переноса электронов, не нарушая их электронного состояния.
«Поскольку нейтроны – это частицы, которые не взаимодействуют с зарядом, они не влияют на электронные свойства металлов, что делает их идеальным зондом для анализа металлсодержащих ферментов, таких как MnSOD», – сказал Лейтон Коутс, специалист по рассеиванию нейтронов из ORNL. участвует в этом исследовании. "Кроме того, нейтроны не вызывают радиационного повреждения материалов, что позволяет нам собирать несколько снимков одного и того же образца, когда он переключается между электронными состояниями."
Используя MaNDi, дифрактометр макромолекулярных нейтронов в источнике нейтронов расщепления (SNS) ORNL, исследовательская группа смогла отобразить всю атомную структуру MnSOD и отследить, как протоны фермента изменяются, когда он получает или теряет электрон.
Анализируя нейтронные данные, ученые проследили пути движения протонов по активному центру. Используя эту информацию, команда построила модель предлагаемого каталитического механизма, подробно описав, как перенос электронов и протонов позволяет MnSOD регулировать уровни супероксида.
Их анализ предполагает, что катализ включает два внутренних переноса протонов между аминокислотами фермента и два внешних переноса протонов, которые происходят от молекул растворителя.
Хотя результаты этого исследования подтверждают некоторые прошлые предсказания о биохимической природе фермента, некоторые аспекты оказались неожиданными и бросают вызов ранее существовавшим убеждениям.
Например, команда обнаружила циклический перенос протонов, происходящий между аминокислотой глутамина и молекулой растворителя, связанной с марганцем. Это взаимодействие является центральной частью каталитического процесса, поскольку оно позволяет ферменту циклически переключаться между двумя своими электронными состояниями. Исследователи также обнаружили, что движения протонов в активном центре необычны, поскольку у некоторых аминокислот не было протона там, где они обычно были бы.
Исследование демонстрирует драматические эффекты, которые металл оказывает на химию активного центра, что обычно не учитывается.
«Наши результаты показывают, что этот механизм более сложен и нетипичен, чем предполагалось в предыдущих исследованиях», – сказал Джахаун Азадманеш, исследователь из UNMC и соавтор исследования.
В качестве следующего шага в проекте исследователи теперь планируют изучить структуру фермента, когда он связан с супероксидным субстратом.
Они также стремятся изучить мутировавшие компоненты MnSOD, чтобы получить более подробную информацию о том, как каждая аминокислота влияет на катализ. Еще одна цель исследования – расширить их нейтронный анализ на другие ферменты, которые полагаются на перенос электронов и протонов для выполнения клеточных задач.
«Более четверти всех известных ферментов связано с переносом электронов и протонов», – сказал Азадманеш. «MnSOD – это всего лишь один фермент в море многих других, и с помощью нейтронов мы можем изучить их каталитические механизмы с такой степенью детализации, которая была невозможна раньше."