Фермент-оборотень, который меняет свою личину в зависимости от соли

Лечебная пиявка (Hirudo medicinalis) — древний метод лечения различных заболеваний, который до сих пор используется в современной медицине. Одна из причин ее эффективности — это способность пиявки предотвращать свертывание крови у своей жертвы. За это отвечает особый фермент, который пиявка выделяет вместе со слюной — дестабилаза. Этот фермент обладает двумя разными свойствами: он может разрушать клеточные стенки микробов и растворять стабилизированный фибрин — белок, который участвует в образовании тромбов. Дестабилаза может быть полезна для разработки новых лекарств от тромбоза и других заболеваний крови.


Но как дестабилаза осуществляет эти две активности на молекулярном уровне? И как она реагирует на разные условия среды? Эти вопросы долгое время оставались без ответа. Недавно группа ученых из России провела подробное исследование структуры и свойств дестабилазы с помощью рентгеноструктурного анализа и компьютерного моделирования. Они сделали несколько удивительных открытий, которые расширили наше понимание этого уникального фермента.

Для того чтобы изучить структуру и свойства дестабилазы, ученые вырастили кристаллы этого фермента в лаборатории. Кристаллы белков позволяют увидеть их трехмерную форму с помощью рентгеновских лучей. Анализируя углы и интенсивность отраженных лучей, можно восстановить структуру белка.

Ученые получили две структуры дестабилазы: одну в отсутствие натрия в растворе, а другую в присутствии натрия. Натрий — это элемент, который содержится в крови животных и человека и в обыкновенной поваренной соли. Оказалось, что дестабилаза меняет свою форму в зависимости от концентрации натрия. Когда натрия мало, дестабилаза имеет одну форму, а когда натрия много — другую.

Это объясняет, почему дестабилаза имеет две разные активности: разрушение клеточных стенок микробов (мурамидазная активность) и растворение фибрина (изопептидазная активность). Обе эти активности происходят в одном и том же месте на молекуле дестабилазы — активном центре. Активный центр — это часть белка, которая связывается с другими молекулами и участвует в химических реакциях. В активном центре дестабилазы есть две аминокислоты — глутаминовая кислота и аспарагиновая кислота. Аминокислоты — это строительные блоки белков.

Когда натрия мало, эти две аминокислоты связываются с молекулами воды и образуют активный центр для мурамидазной активности. Мурамидазная активность означает, что дестабилаза может разрезать связь между двумя сахарами — N-ацетилглюкозамином и N-ацетилмураминовой кислотой. Эти два сахара составляют клеточные стенки микробов. Разрушая эту связь, дестабилаза уничтожает клеточные стенки микробов и защищает пиявку от инфекций.

Когда натрия много, эти две аминокислоты связываются с ионом натрия и образуют активный центр для изопептидазной активности. Изопептидазная активность означает, что дестабилаза может разрезать связь между двумя аминокислотами — глутамином и лизином. Эти две аминокислоты составляют фибрин — белок, который участвует в свертывании крови и образовании тромбов. Разрушая эту связь, дестабилаза растворяет фибрин и предотвращает закупорку сосудов.

Ученые также предложили новую гипотезу о том, какие аминокислоты в составе дестабилазы отвечают за изопептидазную активность. Раньше считалось, что за эту активность отвечают аминокислоты серин и лизин. Но ученые показали, что более вероятно, что за эту активность отвечает аминокислота гистидин. Гистидин — это аминокислота, которая может действовать как кислота или как основание в зависимости от рН среды. Ученые рассчитали рН активного центра дестабилазы и показали, что гистидин может принимать протон от воды и передавать его на связь между глутамином и лизином, разрывая ее.

Информация о результатах исследования была опубликована в журнале Scientific Reports. Авторами исследования являются ученые из Московского физико-технического института, Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН, Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, Института биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Это исследование помогает лучше понять механизм действия дестабилазы. Дестабилаза может быть полезна для разработки новых лекарств от тромбообразования и других заболеваний крови. Тромбообразование — образование кровяных сгустков в сосудах, которые могут привести к инфаркту, инсульту или гангрене. Существующие лекарства от тромбообразования имеют ряд недостатков, таких как высокая токсичность, аллергические реакции и нежелательные побочные эффекты. Дестабилаза же имеет высокую специфичность к фибрину и не влияет на другие белки крови. Кроме того, дестабилаза имеет антимикробную активность, которая может защитить организм от инфекций.

Несколько исследований показали, что дестабилаза эффективна в лечении экспериментального тромбообразования у животных. Также были получены рекомбинантные формы дестабилазы с помощью генной инженерии. Это позволяет получать большое количество чистого фермента для клинических испытаний. В настоящее время ведутся работы по созданию лекарственных форм дестабилазы, таких, как таблетки, инъекции или пластыри.