Исследователи из ORNL, Государственного университета Джорджии и Института Лауэ-Ланжевена во Франции использовали нейтронную кристаллографию, чтобы раскрыть детали взаимодействия водородных связей в активном центре фермента, выявив вызванный pH механизм «прыжка» протонов, который определяет его активность. Команда обсудила результаты в статье, опубликованной в журнале Angewandte Chemie.Понимание структуры и функции фермента на атомном уровне, включая расположение и движение атомов водорода, жизненно важно для понимания устойчивости к лекарствам и разработки рационального дизайна лекарств.
Протеаза ВИЧ-1 отвечает за созревание вирусных частиц в инфекционные вирионы ВИЧ, что в конечном итоге приводит к развитию СПИДа. Без эффективной активности протеазы ВИЧ-1 вирионы ВИЧ остаются неинфекционными, поэтому нарушение активности протеазы ВИЧ-1 является ключевой целью для успешных препаратов антиретровирусной терапии (АРТ), которые атакуют сам вирус.Использование рентгеновской кристаллографии для изучения структур протеазы ВИЧ-1 и комплексов лекарств привело к созданию эффективных, коммерчески доступных АРТ-препаратов, но рентгеновские лучи не могут определять положения мобильных атомов водорода и протонов.
Однако нейтронная кристаллография может выявить эти взаимодействия водородных связей, которые играют ключевую роль в том, насколько эффективно лекарство связывается со своей мишенью.Исследовательская группа ORNL-ILL-Georgia использовала нейтронную кристаллографию для исследования структуры протеазы ВИЧ-1 в комплексе с клиническим ингибитором дарунавиром. Исследователи объединили данные нейтронной дифракции, полученные с помощью прибора IMAGINE в реакторе изотопных изотопов с высоким потоком (HFIR) ORNL, в исследовательском центре Министерства энергетики США, а также с прибора LAD-III в ILL, чтобы раскрыть детали взаимодействий водородных связей в активном центре. и выявить способы усиления связывания лекарств и снижения лекарственной устойчивости. Группа также изучила, как каталитическая активность фермента реагирует на изменения уровня pH (кислотности).
Определяя структуры при различных значениях pH, группа непосредственно наблюдала положения атомов водорода до и после индуцированного pH двухпротонного переноса между лекарством и ферментом. Перенос протона, вызванный электростатическими эффектами, возникающими из-за поглощения протона поверхностными остатками из раствора, привел к конфигурации протона, которая имеет решающее значение для каталитической активности.«Эти результаты подчеркивают, что нейтроны представляют собой превосходный зонд для получения структурных деталей для реакций переноса протона в биологических системах», — сказал специалист по приборам ILL Мэтью Блейкли.«Структура дарунавира позволяет ему создавать больше водородных связей с активным центром протеазы, чем у большинства лекарств этого типа, в то время как основа протеазы ВИЧ-1 сохраняет свою пространственную конформацию при наличии мутаций», — сказал специалист по инструментам ORNL Андрей Ковалевский. «Это означает, что взаимодействие дарунавира и протеазы с меньшей вероятностью будет нарушено мутацией.
Учитывая эти характеристики, Дарунавир является отличной терапевтической мишенью для улучшения и, следовательно, улучшения лечения ВИЧ».Прямое наблюдение переноса протона в химических и биологических системах является сложной задачей; Кристаллография макромолекулярных нейтронов сыграла решающую роль в предоставлении ключевых деталей, касающихся водородных связей, которые были необходимы для ответа на давние вопросы о ферментативном механизме этого важного лекарственного препарата против ВИЧ.«Более того, мы наблюдали изменения в конфигурациях водорода, вызванные изменениями поверхностных зарядов белков на больших расстояниях», — сказал Ковалевский. «Это явление может происходить и в других аспарагиновых протеазах, и, возможно, в ферментах в целом».
Благодаря недавним усовершенствованиям, область кристаллографии макромолекулярных нейтронов расширяется, и в ней исследуются различные важные биологические процессы, от сворачивания белков до устойчивости к антибиотикам и транспорта протонов через биологические мембраны.