Metaloenzymy w układzie nerwowym
W co trzeciej znanej reakcji katalizowanej przez enzymy udział biorą metale albo w postaci kofaktora, albo składnika cząsteczki enzymu. Metale takie jak żelazo, miedź, cynk i magnez uczestniczą w transferze elektronicznym i wzmacniają siłę szeregu kluczowych reakcji. Finansowany ze środków UE program stypendialny Marie Curie "An integrated computational and spectroscopic investigation of the enzyme mechanism of tryptophan hydroxylase" (ICSTH) był poświęcony właśnie metaloenzymom. W trakcie trwania projektu, uczestnicy odeszli od pierwotnego przedmiotu badań — hydroksylazy tryptofanowej, czyli enzymu biorącego udział w syntezie serotoniny — i skupili się na binuklearnych enzymach miedzi. Monooksygenaza alfa-amidująca peptydyloglicyny (PAM) i beta-monooksygenaza dopaminowa (DBM) katalizują hydroksylację substratów kluczowych dla funkcjonowania układu nerwowego. Reakcje katalizowane zarówno przez PAM, jak i DBM rozpoczynają się od redukcji miedzi i aktywacji tlenu, jednak dokładny mechanizm tych reakcji pozostaje nieznany. Celem projektu było poznanie mechanizmów aktywacji tlenu, odszczepienia wodoru, wiązania wody i bezpośrednich reakcji hydroksylacji katalizowanych przez PAM i DBM. Złożony charakter centrów katalitycznych miedzi wymagał zastosowania wielu zaawansowanych metod z dziedziny chemii obliczeniowej i spektroskopii. Opisanie struktury elektronicznej pierwotnego kompleksu enzymatycznego wymagało określenia stanu utlenienia miedzi i natury chemicznej adduktów cząsteczek tlenu. W toku analizy mechanizmów hydroksylacji, zbadano szlaki reakcji, doprecyzowano stany przejściowe i możliwe produkty pośrednie na każdym etapie. Połączenie technik z zakresu mechaniki kwantowej, mechaniki molekularnej oraz dynamiki molekularnej pomogło w zbadaniu efektów wielokrotnych mutacji. To z kolei umożliwiło zbadanie wpływu zmian konformacji na mechanizm reakcji. Wyniki projektu ICSTH pomogły w lepszym zrozumieniu kluczowych etapów mechanizmu hydroksylacji dwóch niesprzężonych enzymów miedziowych. Zdobyta w ten sposób wiedza znajdzie zastosowanie przy opracowywaniu nowych leków, w inżynierii białek oraz biotechnologii.
Słowa kluczowe
Metaloenzym, miedź, PAM, DβM, hydroksylacja
