Informace

Jak najít strukturu PDB proteázy s inhibitorem podobným peptidu


Zajímalo by mě, jak pro účely pouhé ilustrace některých pojmů, jako je zarovnání substrátu v aktivním místě katalytické triády, mohu rychle a efektivně najít strukturu proteázy (bez ohledu na to, jaký organismus přesně), která má v databázi PDB inhibitor podobný peptidu.

Rady oceněny.


Tady je jeden: http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=2IPH. Krystalizovalo se s inhibitorem navázaným na protein.


přejděte na http://www.uniprot.org a zadejte přístupové číslo proteázy, které vás zajímá, a podívejte se do sekce databází 3D struktur, abyste zjistili, zda je jeho soubor PDB dešifrován nebo ne. Na tuto databázi (http://www.cf.ac.uk/biosi/staffinfo/ehrmann/tools/protease/allprotease.html) jsem narazil pouhým zadáním do Google „proteázových databází PDB“


Beta-sekretáza

Protože je beta-sekretáza tak důležitá pro rozvoj Alzheimerovy choroby, mnoho laboratoří usilovně pracuje na nalezení inhibitorů, které by ji zablokovaly. První úspěch je zde ukázán nahoře z PDB položky 1fkn a vylepšená směs, která se váže mnohem těsněji, je zobrazena ve spodní části od PDB záznamu 1m4h. Struktury mnoha dalších kandidátů na drogy lze nalézt v PNR. Bohužel tyto sloučeniny nejsou účinně transportovány z krve do mozku, takže nebyly zvláště užitečné jako léky v boji proti Alzheimerově chorobě. Pátrání ale pokračuje v boji s touto vysilující nemocí.

Témata pro další diskusi

  1. Několik proteáz používá k rozštěpení proteinových řetězců pár aspartátových aminokyselin. Najdete v PNR další příklady?
  2. V PDB je k dispozici mnoho struktur inhibitorů vázaných na beta-sekretázu. Najdete příklady inhibitorů podobných peptidům, které jsou velmi podobné proteinovým řetězcům štěpeným beta-sekretázou, a další inhibitory, které se významně liší od peptidů? Jaké jsou výhody a nevýhody každého z nich?

Související zdroje PDB-101

Reference

  1. C. E. Hunt a A. J. Turner (2009) Buněčná biologie, regulace a inhibice beta-sekretázy (BACE1). FEBS Journal 276, 1845-1859.
  2. J. H. Stockley a C. O'Neill (2008) Porozumění BACE1: esenciální proteáza pro produkci amyloidu-beta u Alzheimerovy choroby. Cellular and Molecular Life Sciences 65, 3265-3289.

O PDB-101

PDB-101 pomáhá učitelům, studentům a široké veřejnosti prozkoumat 3D svět proteinů a nukleových kyselin. Seznámení s jejich různými tvary a funkcemi pomáhá porozumět všem aspektům biomedicíny a zemědělství, od syntézy bílkovin přes zdraví a nemoci až po biologickou energii.

Proč PDB-101? Vědci z celého světa dávají tyto 3D struktury volně k dispozici v archivu Protein Data Bank (PDB). PDB-101 staví úvodní materiály, které začátečníkům pomohou začít s daným předmětem („101“, jako v kurzu základní úrovně), a také zdroje pro rozšířené učení.


Dipeptidyl peptidáza 4

V roce 2006 schválila Federální správa léčiv první z těchto inhibitorů DPP4, sitagliptin (položka PDB 1x70), na který rychle navázala řada dalších antidiabetických léků souhrnně známých jako „gliptiny“. Všechny tyto léky napodobují konec inkretinových hormonů a blokují aktivní místo DPP4, takže nemůže inaktivovat hormony. Chcete -li prozkoumat šest různých gliptinů a analog jednoho ze substrátů DPP4, klikněte na obrázek pro interaktivní JSmol.

Témata pro další diskusi

  1. Struktury pro několik dalších hormonů, které jsou štěpeny DPP4, jsou k dispozici v PDB, včetně peptidu YY (2dez) a chemokinu RANTES (1rtn). Podívejte se na ně a najděte dipeptid, který je štěpený DPP4.
  2. Pomocí funkce Protein Feature View DPP4 můžete zobrazit části enzymu, které nejsou zahrnuty ve struktuře.

Související zdroje PDB-101

Reference

  1. D. Rohrborn, N.Wronkowitz a J. Eckel (2015) DPP4 při diabetu. Frontiers in Immunology 6, článek 386.
  2. 3w2t: M. Nabeno, F. Akahoshi, H. Kishida, I. Miyaguchi, Y. Tanaka, S. Ishii & T. Kadowaki (2013) Srovnávací studie vazebných režimů nedávno spuštěných inhibitorů dipeptidyl peptidázy IV v aktivním místě . Komunikace biochemického a biofyzikálního výzkumu 434, 191-196.
  3. H. Zhong, X. Rao a S. Ateroskleróza 226, 305-314.
  4. 3vjk: T. Yoshida, F. Akahoshi, H. Sakashita, H. Kitajima, M. Nakamura, S. Sonda, M. Takeuchi, Y. Tanaka, N. Ueda, S. Sekiguchi, T. Ishige, K. Shima, M. Nabeno, Y. Abe, J. Anabuki, A. Soejima, K. Yoshida, Y. Takashina, S. Ishii, S. Kiuchi, S. Fukuda, R. Tsutsumiuchi, K. Kosaka, T. Murozono, Y. Nakamaru, H. Utsumi, N. Masutomi, H. Kishida, I. Miyaguchi & Y. Hayashi (2012) Objev a preklinické studie teneligliptinu (3-[(2S, 4S) -4- [4- (3-methyl- 1-fenyl-1 H-pyrazol-5-yl) piperazin-1-yl] pyrrolidin-2-ylkarbonyl] thiazolidin): vysoce účinný, selektivní, dlouhotrvající a orálně účinný inhibitor dipeptidyl peptidázy IV pro léčbu diabetu 2. typu . Bioorganic and Medicinal Chemistry 20, 5705-5719.
  5. 3g0b: Z. Zhang, MB Wallace, J. Feng, JA Stafford, RJ Skene, L. Shi, B. Lee, K. Aertgeerts, A. Jennings, R. Xu, DB Kassel, SW Kaldor, M. Navre, DR Webb & SL Gwaltney (2011) Návrh a syntéza pyrimidinonových a pyrimidindionových inhibitorů dipeptidyl peptidázy IV. Journal of Medicinal Chemistry 54, 510-524.
  6. 3bjm: WJ Metzler, J. Yanchunas, C. Weigelt, K. Kish, HE Klei, D. Zie, Y. Zhang, M. Corbett, JK Tamura, B. He, LG Hamann, MS Kirby & J. Marcinkeviciene (2008 ) Zapojení katalytických zbytků DPP-IV do tvorby komplexu enzym-saxagliptin. Protein Science 17, 240-250.
  7. 2rgu: M. Eckhardt, E. Langkopf, M. Mark, M. Tadayyon, L. Thomas, H. Nar, W. Pfrengle, B. Guth, R. Lotz, P. Sieger, H. Fuchs & F. Himmelsbach ( 2007) 8- (3- (R) -aminopiperidin-1-yl) -7-but-2-ynyl-3-methyl-1- (4-methyl-chinazolin-2-ylmethyl) -3,7-dihydropurin- 2,6-dion (BI 1356), vysoce účinný, selektivní, dlouhotrvající a orálně biologicky dostupný inhibitor DPP-4 pro léčbu diabetu 2. typu. Journal of Medicinal Chemistry 50, 6450-6453.
  8. 2b4n: I. Alana, J. C. Parker, V. A. Gault, P. R. Flatt, F. P. O’Harte, J. P. Malthouse a C. M. Hewage (2006) NMR a alaninové skenovací studie inzulínotropního peptidu závislého na glukóze ve vodě. Journal of Biological Chemistry 281, 16370-16376.
  9. 1x70: D. Kim, L. Wang, M. Beconi, GJ Eiermann, MH Fisher, H. He, GJ Hickey, JE Kowalchick, B. Leiting, K. Lyons, F. Marsilio, ME McCann, RA Patel, A. Petrov, G. Scapin, SB Patel, RS Roy, JK Wu, MJ Wyvratt, BB Zhang, L. Zhu, NA Thornberry & AE Weber (2005) (2R) -4-oxo-4- [3- (trifluormethyl)- 5,6-dihydro [1,2,4] triazolo [4,3-a] pyrazin-7 (8H) -yl] -1- (2,4,5-trifluorfenyl) butan-2-amin: silný, orálně aktivní inhibitor dipeptidyl peptidázy IV pro léčbu diabetu 2. typu. Journal of Medicinal Chemistry 48, 141-151.
  10. 1nu8: R. Thoma, B. Loeffler, M. Stihle, W. Huber, A. Ruf & M. Hennig (2003) Strukturální základ prolinově specifické exopeptidázové aktivity pozorovaný u lidské dipeptidyl peptidázy-IV. Struktura 11, 947-959.
  11. 1d0r: X. Chang, D. Keller, S. Bjorn & J. J. Led (2001) Struktura a skládání glukagonu podobného peptidu-1- (7-36) -amidu v trifluorethanolu studovaného NMR. Magnetic Resonance Chemistry 39, 477-483.
  12. 1jrj: J. W. Neidigh, R. M. Fesinmeyer, K. S. Prickett & N. H. Andersen (2001) Exendin-4 and glucagon-like-peptide-1: NMRštrukturní srovnání v roztoku a micel-associated state. Biochemistry 40, 13188-13200.
  13. 1eot: M. P. Crump, K. Rajarathnam, K. S. Kim, I. Clark-Lewis & B. D. Sykes (1998) Struktura roztoku eotaxinu, chemokinu, který selektivně rekrutuje eozinofily při alergickém zánětu. Journal of Biological Chemistry 273, 22471-22479.
  14. 1ron: S.A. Monks, G. Karagianis, G. J. Howlett & R. S. Norton (1996) Struktura řešení lidského neuropeptidu Y. Journal of Biomolecular NMR 8, 379-390.

Říjen 2016, Sutapa Ghosh, David Goodsell

O PDB-101

PDB-101 pomáhá učitelům, studentům a široké veřejnosti prozkoumat 3D svět proteinů a nukleových kyselin. Seznámení s jejich různými tvary a funkcemi pomáhá porozumět všem aspektům biomedicíny a zemědělství, od syntézy bílkovin přes zdraví a nemoci až po biologickou energii.

Proč PDB-101? Vědci z celého světa dávají tyto 3D struktury volně k dispozici v archivu Protein Data Bank (PDB). PDB-101 staví úvodní materiály, které začátečníkům pomohou začít s daným předmětem („101“, jako v kurzu základní úrovně), a také zdroje pro rozšířené učení.


Vykreslování

Jak jste právě viděli, makromolekulární struktury mohou být poměrně složité a někdy je zjednodušená reprezentace molekuly užitečnější než detailní atomová reprezentace. Jedním ze zjednodušených způsobů, jak prezentovat proteinové struktury, jsou jejich sekundární struktury. Hlavní sekundární strukturní prvky v proteinech jsou & alfa-hellice, &beta-listy a smyčky. Chcete -li vykreslit sekundární strukturu tohoto proteinu, postupujte takto:

V 'Pohled'menu, pod'Biopolymerový displej', vyberte'Stuha/tuba '
Vyberte vše kliknutím na označené tlačítko Všechno a pak udeřit OK
V dalším okně se objeví odpověď OK barvit protein sekundární strukturou
V 'Pohled'vybrat'Zrušit zobrazení atomů. '
Klikněte na označené tlačítko Spodní stavby, vyberte ROC39, inhibitor proteázy HIV a klikněte OK
Klikněte Invertovat vyberte vše kromě inhibitoru a stiskněte OK

  1. Jaká je převládající sekundární struktura v tomto polypeptidu?
  2. Jak dlouho (v angstromech) je nejdelší & alfa-helix v tomto proteinu?
  3. Která nekovalentní interakce je primárně zodpovědná za stabilitu & alfa-helice?

Struktura, kterou zde vidíte, je pouze jedním ze dvou polypeptidových řetězců, které tvoří aktivní HIV proteázu. Nyní budete podrobněji studovat aktivní místo dimerní HIV proteázy.


Jak najít strukturu PDB proteázy pomocí inhibitoru podobného peptidu - biologie

Snapshot experimentálních dat

  • Metoda: & nbspRentgenová difrakce
  • Rozlišení: & nbsp2,14 Å
  • Hodnota R zdarma: & nbsp0,225 & nbsp
  • Práce s hodnotou R: & nbsp0,191 & nbsp
  • Zjištěná hodnota R: & nbsp0,197 & nbsp

wwPDB Ověření& nbsp & nbsp3D report & nbspPlná zpráva

Plasticita kapes specificity S2-S4 exekuční kaspázy-7 odhalená strukturální a kinetickou analýzou.

(2007) FEBS J & nbsp274: 4752-4765

  • PubMed: & nbsp17697120 & nbsp Hledat na PubMed
  • DOI: & nbsp10.1111/j.1742-4658.2007.05994.x
  • Primární citace souvisejících struktur: & nbsp
    2QLB, 2QLJ, 2QLF, 2QL9, 2QL7, 2QL5
  • PubMed Abstract: & nbsp

Mnoho proteinových substrátů kaspáz je štěpeno na nekanonických místech ve srovnání s rozpoznávacími motivy uvedenými pro tři podskupiny kaspázy. Aby se poskytl vhled do specificity a pomoci při navrhování léčiv pro kontrolu buněčné smrti, byly krystalické struktury kaspázy-7 určeny v komplexech se šesti peptidovými analogy (Ac-DMQD-Cho, Ac-DQMD-Cho, Ac-DNLD-Cho „Ac-IEPD-Cho, Ac-ESMD-Cho, Ac-WEHD-Cho), které pokrývají hlavní rozpoznávací motivy tří podskupin.

Mnoho proteinových substrátů kaspáz je štěpeno na nekanonických místech ve srovnání s rozpoznávacími motivy uvedenými pro tři podskupiny kaspázy. Aby se poskytl vhled do specificity a pomoci při navrhování léčiv pro kontrolu buněčné smrti, byly krystalické struktury kaspázy-7 určeny v komplexech se šesti peptidovými analogy (Ac-DMQD-Cho, Ac-DQMD-Cho, Ac-DNLD-Cho „Ac-IEPD-Cho, Ac-ESMD-Cho, Ac-WEHD-Cho), které pokrývají hlavní rozpoznávací motivy tří podskupin. Krystalické struktury ukazují, že kapsa S2 kaspázy-7 pojme různé zbytky. Glu není v poloze P3 vyžadován, protože Ac-DMQD-Cho, Ac-DQMD-Cho a Ac-DNLD-Cho s různými P3 zbytky jsou téměř stejně účinné jako kanonický Ac-DEVD-Cho. P4 Asp byl přítomen v lepších inhibitorech kaspázy-7. Kapsa S4 exekuční kaspázy-7 má však alternativní oblasti pro vazbu malých rozvětvených alifatických nebo polárních zbytků podobných zbytkům iniciátorové kaspázy-8. Pozorovaná plasticita kaspázových podložek velmi dobře souhlasí s hlášeným štěpením mnoha proteinů v nekanonických místech. Výsledky naznačují, že faktory jiné než sekvence P4-P1, jako jsou exosity, přispívají k in vivo substrátové specificitě kaspáz. Nové vazebné místo pro peptid identifikované na molekulárním povrchu současných struktur je navrženo jako exosit kaspázy-7. Tyto výsledky by měly být vzaty v úvahu při navrhování selektivních malomolekulových inhibitorů této farmakologicky důležité proteázy.

Organizační příslušnost: & nbsp

Katedra biologie, molekulární základ nemoci, Georgia State University, Atlanta, GA 30302, USA.


Jak najít strukturu PDB proteázy pomocí inhibitoru podobného peptidu - biologie

Snapshot experimentálních dat

  • Metoda: & nbspRentgenová difrakce
  • Rozlišení: & nbsp2,30 Å
  • Hodnota R zdarma: & nbsp0,230 & nbsp
  • Práce s hodnotou R: & nbsp0,208 & nbsp
  • Zjištěná hodnota R: & nbsp0,209 & nbsp

wwPDB Ověření& nbsp & nbsp3D report & nbspPlná zpráva

Strukturální základ pro katalýzu a substrátová specificita cysteinové proteázy podobné 3C z mezoniviru komárů.

(2019) Virology & nbsp533: 21-33

  • PubMed: & nbsp31078932 & nbsp Hledat na PubMedSearch na PubMed Central
  • DOI: & nbsp10.1016/j.virol.2019.05.001
  • Primární citace souvisejících struktur: & nbsp
    5 LAC, 5 LAK
  • PubMed Abstract: & nbsp

Cavally virus (CavV) je virem RNA přenášeným komáry z rodiny Mesoniviridae (řád Nidovirales). Představujeme rentgenové struktury pro proteázu podobnou CavV 3C (3CL pro), jako volný enzym a v komplexu s inhibitorem peptidového aldehydu napodobujícím zbytky P4 až P1 přírodního substrátu.

Cavally virus (CavV) je virem RNA přenášeným komáry z rodiny Mesoniviridae (řád Nidovirales). Představujeme rentgenové struktury pro proteázu podobnou CavV 3C (3CL pro), jako volný enzym a v komplexu s inhibitorem peptidového aldehydu napodobujícím zbytky P4 až P1 přírodního substrátu. Struktura 3CL pro (rafinovaná na 1,94 Á) ukazuje, že protein tvoří dimery. Monomery se skládají z N-koncových domén I a II, které přijímají chymotrypsin podobný záhyb, a C-koncové a-helikální domény III. Katalytické Cys-Hisově dyadě pomáhá komplexní síť interakcí zahrnujících molekulu vody, která zprostředkovává polární kontakty mezi katalytickým His a konzervovaným Asp umístěným v křižovatce domény II-III a je vhodně umístěna tak, aby stabilizovala vyvíjející se kladný náboj katalytický His v přechodovém stavu během katalýzy. Studie také odhaluje strukturální základ pro odlišnou kapsu mezoniviru 3CL vázající se na substrát specifickou pro P2 Asn.


Abstraktní

Profilace substrátu proteázy se v dnešní době téměř stala rutinní záležitostí experimentátorů a znalosti o proteázových peptidových substrátech jsou snadno dostupné prostřednictvím databáze MEROPS. Představujeme pracovní postup virtuálního screeningu založeného na tvaru pomocí vROCS, který aplikuje informace o specifičnosti proteáz k nalezení nových inhibitorů malých molekul. K sestavení tréninkové sady byly použity sekvence peptidového substrátu pro tři až čtyři polohy substrátu každého substrátu z databáze MEROPS. Dvourozměrné sekvence substrátu byly převedeny na trojrozměrné konformace prostřednictvím mutace substrátu templátového peptidu. Dotaz vROCS byl vytvořen z dotazů na jednotlivé aminokyseliny pro každou polohu substrátu s ohledem na relativní frekvence aminokyselin. Virtuální screeningový přístup založený na tvaru na bázi peptidu a substrátu poskytuje dobrý výkon pro čtyři proteázy trombin, faktor Xa, faktor VIIa a kaspázu-3 s datovou sadou DUD-E. Výsledky ukazují, že metoda funguje pro proteázové cíle s různými profily specificity i pro cíle s různými mechanismy aktivního místa. Protože pro použití našeho přístupu není vyžadována žádná struktura cíle a žádné informace o inhibitorech malých molekul, má metoda ve srovnání s konvenčními metodami založenými na struktuře a ligandu významné výhody.


Obsah

Zralá HIV proteáza existuje jako 22 kDa homodimer, přičemž každá podjednotka je tvořena 99 aminokyselinami. [1] Jediné aktivní místo leží mezi identickými podjednotkami a má charakteristickou sekvenci katalytických triád Asp-Thr-Gly (Asp25, Thr26 a Gly27) společnou aspartátovým proteázám. [8] Protože HIV-1 PR může fungovat pouze jako dimer, zralá proteáza obsahuje dvě aminokyseliny Asp25, jednu z každého monomeru, které spolu působí jako katalytické zbytky. [9] HIV proteáza má navíc dvě molekulární "klapky", které se pohybují na vzdálenost až 7 Á, když se enzym spojí se substrátem. [10] To lze zobrazit pomocí animací otevírání a zavírání klapek.

Úprava předchůdce

Polyprotein Gag-Pol, který obsahuje předčasně kódující proteiny, včetně HIV-1 PR. [9] PR se nachází mezi reverzní transkriptázou (která je na C-konci PR) a p6 pol (která je na N-konci PR) oblasti transrámce (TFR). [11]

Aby se z tohoto prekurzoru stal funkční protein, musí se každý monomer spojit s dalším monomerem HIV-1 PR, aby vytvořil funkční katalytické aktivní místo, přičemž každý přispívá Asp25 svých příslušných katalytických triád. [9]

Mechanismus syntézy Upravit

Když virová HIV-RNA vstupuje do buňky, je doprovázena reverzní transkriptázou, integrázou a zralým HIV-1 PR. Reverzní transkriptáza převádí virovou RNA na DNA, což usnadňuje úlohu integrázy při začlenění virové genetické informace do DNA hostitelské buňky. [2] Virová DNA může buď zůstat spící v jádře, nebo může být transkribována do mRNA a přeložena hostitelskou buňkou do polyproteinu Gag-Pol, který by pak byl štěpen na jednotlivé funkční proteiny (včetně nově syntetizovaného HIV-1 PR) zralým HIV-1 PR. [9]

Prekurzor HIV-1 PR katalyzuje vlastní produkci usnadňováním jeho štěpení z polyproteinu Gag-Pol mechanismem známým jako automatické zpracování. Automatické zpracování HIV-1 PR je charakterizováno dvěma sekvenčními kroky: (1) intramolekulárním štěpením N-konce v místě štěpení p6 pol-proteázy, které slouží k dokončení zpracování PR a zvýšení enzymatické aktivity s nově vytvořeným PR -meziprodukt reverzní transkriptázy a (2) intermolekulární štěpení C-konce v místě štěpení proteázy-reverzní transkriptázy, což vede k sestavení dvou PR podjednotek do zralých dimerů. [12] [13] Dimerizace dvou podjednotek umožňuje vytvoření plně funkčního kombinovaného aktivního místa charakterizovaného dvěma katalytickými zbytky Asp25 (z každého monomeru jedním). [14]

HIV-1 PR má dvojí účel. Prekurzor HIV-1 PR je zodpovědný za katalyzování vlastní produkce na zralé PR enzymy prostřednictvím automatického zpracování PR. [15] Zralá proteáza je schopna hydrolyzovat peptidové vazby na polyproteiny Gag-Pol na devíti specifických místech, přičemž výsledné podjednotky zpracovává na zralé, plně funkční proteiny. Tyto štěpené proteiny, včetně reverzní transkriptázy, integrázy a RNaseH, jsou kódovány komponentami kódující oblasti nezbytnými pro replikaci viru. [4]

Jako aspartátová proteáza funguje dimerizovaný HIV-1 PR prostřednictvím komplexu aspartylových skupin za účelem provedení hydrolýzy. Ze dvou zbytků Asp25 na kombinovaném katalyticky aktivním místě HIV-1 PR je jeden deprotonován, zatímco druhý je protonován, kvůli rozdílům pKa od mikroprostředí. [16]

V obecném mechanismu aspartátové proteázy, jakmile je substrát správně navázán na aktivní místo enzymu, deprotonizovaná katalytická aminokyselina Asp25 podstoupí katalýzu bází, což činí přicházející molekulu vody lepším nukleofilem tím, že ji deprotonuje. Výsledný hydroxylový ion napadá karbonylový uhlík peptidové vazby a vytváří meziprodukt s přechodným oxyaniontem, který je stabilizován původně protonovaným Asp25. Oxyanion znovu vytvoří dvojnou vazbu, což vede ke štěpení peptidové vazby mezi dvěma aminokyselinami, zatímco původně deprotonovaný Asp25 podstoupí kyselou katalýzu, aby daroval svůj proton aminoskupině, čímž se aminoskupina stane lépe odstupující skupinou pro úplnou štěpení peptidové vazby a návrat do původního deprotonovaného stavu. [2] [17]

Zatímco HIV-1 PR sdílí mnoho stejných charakteristik jako nevirová aspartátová proteáza, některé důkazy ukázaly, že HIV-1 PR katalyzuje koordinovanou hydrolýzu jinými slovy, nukleofilní molekula vody a protonovaný Asp25 současně útočí na štěpný peptidová vazba během katalýzy. [17] [18]

Díky své integrální roli v replikaci HIV je HIV proteáza hlavním cílem pro lékovou terapii. Inhibitory proteázy HIV působí tak, že se specificky navážou na aktivní místo napodobením čtyřstěnného meziproduktu jeho substrátu a v podstatě se „zaseknou“, čímž se enzym deaktivuje. Po shromáždění a pučení nemohou virové částice postrádající aktivní proteázu dozrát v infekční viriony. Několik inhibitorů proteázy bylo licencováno pro terapii HIV. [19]

V současné době je schváleno Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv deset HIV-1 PR inhibitorů: indinavir, saquinavir, ritonavir, nelfinavir, lopinavir, amprenavir, fosamprenevir, atazanavir, tipranavir a darunavir. Mnoho z inhibitorů má různé molekulární složky a tedy různé mechanistické účinky, jako je blokování aktivního místa. Jejich funkční role také zasahují do ovlivnění cirkulačních koncentrací jiných inhibitorových léčiv (ritonavir) a používají se pouze za určitých okolností, za nichž virus vykazuje toleranci vůči jiným inhibitorům (tipranavir). [4] [20]

Evoluce a odpor Upravit

Vzhledem k vysoké rychlosti mutací retrovirů, zejména díky mutačně citlivým oblastem (zejména oblasti obsahující sekvenci katalytických triád), a vzhledem k tomu, že změny na několik aminokyselin v HIV proteáze mohou způsobit, že je inhibitor, aktivní místo tohoto enzymu se může rychle měnit, když je pod selektivním tlakem léků inhibujících replikaci. [21] [22]

Se zvyšující se odolností vůči lékům jsou obecně spojeny dva typy mutací: „hlavní“ mutace a „sekundární“ mutace. Hlavní mutace zahrnují mutaci na aktivním místě HIV-1 PR, která brání selektivním inhibitorům v jejich vazbě. Sekundární mutace se týkají molekulárních změn na periferii enzymu v důsledku prodloužené expozice podobným chemikáliím, které potenciálně ovlivňují specificitu inhibitoru pro HIV-1 PR. [3]

Jedním z přístupů k minimalizaci rozvoje rezistence na léčiva u HIV je podávání kombinace léků, které inhibují několik klíčových aspektů replikačního cyklu HIV současně, a nikoli jeden lék najednou. Mezi další cíle lékové terapie patří reverzní transkriptáza, připojení viru, fúze membrány, integrace cDNA a sestavení virionů. [23] [24]


Proteázy koronaviru

Výzkumníci tyto struktury aktivně využívají k hledání sloučenin, které blokují působení proteáz, pro použití jako antivirotika. Rozmanitost koronavirů představuje pro toto úsilí velkou výzvu: koronaviry byly rozděleny do čtyř různých rodů a sekvenční a strukturální studie ukázaly, že proteázy těchto virů mohou být velmi odlišné, takže léky určené k boji proti jednomu nemusí být účinné proti ostatní. Jedním z možných způsobů, jak tuto výzvu řešit, je pokusit se navrhnout širokospektrální inhibitor zaměřený proti koronaviru netopýra progenitora, jako je ten, který je zde ukázán ze záznamu PDB 4yoi, který pak může poskytnout náskok pro objevování inhibitorů proti nově se objevujícím virům . Aktivní místo cysteinu a histidinu je ukázáno na obrázku, s inhibitorem v tyrkysové barvě. Chcete -li tuto strukturu prozkoumat podrobněji, klikněte na obrázek pro interaktivní JSmol.

Témata pro další diskusi

  1. Na jeho zrání se může podílet neobvyklá oktamerická forma hlavní proteázy. Můžete to vidět v položce PDB 3iwm.
  2. Záhyby hlavních proteáz koronaviru a serinových proteáz můžete porovnat pomocí nástroje „Zarovnat strukturu“. Zkuste použít trypsinogen (položka PDB 1 tgs), aby celý enzym tvořil jeden řetězec pro zarovnání.

Související zdroje PDB-101

Reference

  1. Cui, J., Li, F., Shi, Z.L. (2019) Původ a vývoj patogenních koronavirů. Nat. Rev. Microbiol. 17, 181-192.
  2. 4yoi: St John, SE, Tomar, S., Stauffer, SR, Mesecar, AD (2015) Targeting zoonotic virus: Structure-based inhibition of 3C-like proteease from bat coronavirus HKU4-The likely rezervoár host for the human coronavirus that způsobuje blízkovýchodní respirační syndrom (MERS). Bioorg.Med.Chem. 23: 6036-6048
  3. 4ow0: Baez-Santos, YM, Barraza, SJ, Wilson, MW, Agius, MP, Mielech, AM, Davis, NM, Baker, SC, Larsen, SD, Mesecar, AD (2014) X-ray Structural and Biological Evaluation of řada silných a vysoce selektivních inhibitorů proteáz podobných papainu podobným lidskému koronaviru. J.Med.Chem. 57: 2393-2412
  4. Hilgenfeld, R. (2014) Od SARS k MERS: krystalografické studie koronavirových proteáz umožňují návrh antivirotik. FEBS J. 281,4085-4096
  5. 1q2w: Pollack, A. (2003) Společnost říká, že mapovala část viru SARS. New York Times, 30. července, oddíl C, strana 2.

Únor 2020, David Goodsell

O PDB-101

PDB-101 pomáhá učitelům, studentům a široké veřejnosti prozkoumat 3D svět proteinů a nukleových kyselin. Seznámení s jejich různými tvary a funkcemi pomáhá porozumět všem aspektům biomedicíny a zemědělství, od syntézy bílkovin po zdraví a nemoci až po biologickou energii.

Proč PDB-101? Vědci z celého světa dávají tyto 3D struktury volně k dispozici v archivu Protein Data Bank (PDB). PDB-101 staví úvodní materiály, které začátečníkům pomohou začít s daným předmětem („101“, jako v kurzu základní úrovně), a také zdroje pro rozšířené učení.


Obsah

Systém klasifikace proteáz MEROPS čítá 16 superrodin (od roku 2013), z nichž každá obsahuje mnoho rodin. Každá nadrodina používá katalytickou triádu nebo dyádu v jiném proteinovém záhybu a představuje tak konvergentní evoluci katalytického mechanismu. Většina patří do rodiny S1 proteinu klanu (superrodiny) PA.

Pro superrodiny P = nadrodina, obsahující směs rodin tříd nukleofilních, S = čistě serinové proteázy. superrodina. V každé superrodině jsou rodiny označeny svým katalytickým nukleofilem (S = serinové proteázy).

Rodiny serinových proteáz

Nadčeleď Rodiny Příklady
SB S8, S53 Subtilisin (Bacillus licheniformis)
SC S9, S10, S15, S28, S33, S37 Prolyl oligopeptidáza (Sus scrofa)
SE S11, S12, S13 D-Ala-D-Ala peptidáza C (Escherichia coli)
SF S24, S26 Signální peptidáza I (Escherichia coli)
SH S21, S73, S77, S78, S80 Cytomegalovirus assemblin (lidský herpesvirus 5)
SJ S16, S50, S69 Peptidáza Lon-A (Escherichia coli)
SK S14, S41, S49 Proteáza Clp (Escherichia coli)
TAK S74 Phage K1F endosialidase CIMCD self-štěpící protein (Enterobacteria phage K1F)
SP S59 Nucleoporin 145 (Homo sapiens)
SR S60 Laktoferin (Homo sapiens)
SS S66 Mureinová tetrapeptidáza LD-karboxypeptidáza (Pseudomonas aeruginosa)
SVATÝ S54 Kosočtverec-1 (Drosophila melanogaster)
PA S1, S3, S6, S7, S29, S30, S31, S32, S39, S46, S55, S64, S65, S75 Chymotrypsin A (Bos taurus)
PB S45, S63 Prekurzor penicilin G acylázy (Escherichia coli)
PC S51 Dipeptidáza E (Escherichia coli)
PE P1 DmpA aminopeptidáza (Ochrobactrum anthropi)
Nepřiřazeno S48, S62, S68, S71, S72, S79, S81

Serinové proteázy se vyznačují výraznou strukturou, která se skládá ze dvou beta-barelových domén, které konvergují v katalyticky aktivním místě. Tyto enzymy lze dále kategorizovat na základě jejich substrátové specificity na trypsinové, chymotrypsinové nebo elastázové. [3]

Trypsin jako Edit

Proteázy podobné trypsinu štěpí peptidové vazby po kladně nabité aminokyselině (lysinu nebo argininu). [4] Tato specifičnost je dána zbytkem, který leží na bázi S1 kapsy enzymu (obecně negativně nabitá kyselina asparagová nebo glutamová).

Úpravy podobné Chymotrypsinu

Kapsa S1 enzymů podobných chymotrypsinu je hydrofobnější než u proteáz podobných trypsinu. Výsledkem je specificita pro středně velké až velké hydrofobní zbytky, jako je tyrosin, fenylalanin a tryptofan.

Úprava podobná trombinu

Patří sem trombin, tkáň aktivující plasminogen a plasmin. Bylo zjištěno, že mají roli v koagulaci a trávení, jakož i v patofyziologii neurodegenerativních poruch, jako je demence vyvolaná Alzheimerovou a Parkinsonovou chorobou.

Úpravy podobné elastáze

Proteázy podobné elastázám mají mnohem menší rozštěp S1 než proteázy podobné trypsinu nebo chymotrypsinu. V důsledku toho bývají preferovány zbytky jako alanin, glycin a valin.

Úpravy podobné subtilisinu

Subtilisin je serinová proteáza v prokaryotech. Subtilisin evolučně nesouvisí s chymotrypsinovým klanem, ale sdílí stejný katalytický mechanismus využívající katalytickou triádu k vytvoření nukleofilního serinu. Toto je klasický příklad používaný k ilustraci konvergentní evoluce, protože stejný mechanismus se během evoluce vyvinul dvakrát nezávisle.

Hlavním hráčem v katalytickém mechanismu v serinových proteázách je katalytická triáda. Triáda se nachází v aktivním místě enzymu, kde dochází ke katalýze, a je zachována ve všech superrodinách enzymů serinové proteázy. Triáda je koordinovaná struktura skládající se ze tří aminokyselin: His 57, Ser 195 (odtud název „serinová proteáza“) a Asp 102. Každá z těchto tří klíčových aminokyselin hraje zásadní roli ve schopnosti štěpení proteáz. Zatímco členové aminokyselin triády jsou na sekvenci proteinu umístěni daleko od sebe, díky skládání budou v srdci enzymu velmi blízko sebe. Konkrétní geometrie členů triády je pro jejich specifickou funkci velmi charakteristická: bylo ukázáno, že poloha pouhých čtyř bodů triády charakterizuje funkci obsahujícího enzymu. [5]

V případě katalýzy nastává uspořádaný mechanismus, při kterém se generuje několik meziproduktů. Katalýzu štěpení peptidu lze považovat za ping-pongovou katalýzu, při které se váže substrát (v tomto případě štěpí polypeptid), uvolňuje se produkt („polovina“ peptidu na N-konci), další váže se substrát (v tomto případě voda), a uvolňuje se další produkt („polovina“ peptidu na C-konci).

Každá aminokyselina v triádě plní v tomto procesu specifický úkol:

  • Serin má skupinu -OH, která je schopná působit jako nukleofil, útočící na karbonylový uhlík štěpné peptidové vazby substrátu.
  • Dvojice elektronů na histidinovém dusíku má schopnost přijímat vodík ze skupiny serin -OH, čímž koordinuje útok peptidové vazby.
  • Karboxylová skupina na kyselině asparagové zase vodíkové vazby s histidinem, takže výše uvedený atom dusíku je mnohem elektronegativnější.

Celou reakci lze shrnout následovně:

  • Polypeptidový substrát se váže na povrch enzymu serinové proteázy tak, že se štěpná vazba vloží do aktivního místa enzymu, přičemž karbonylový uhlík této vazby je umístěn v blízkosti nukleofilního serinu.
  • Serin -OH útočí na karbonylový uhlík a dusík histidinu přijímá vodík z -OH [serinu] a dvojice elektronů z dvojné vazby karbonylového kyslíku se přesouvá do kyslíku. V důsledku toho se vytvoří čtyřboký meziprodukt.
  • The bond joining the nitrogen and the carbon in the peptide bond is now broken. The covalent electrons creating this bond move to attack the hydrogen of the histidine, breaking the connection. The electrons that previously moved from the carbonyl oxygen double bond move back from the negative oxygen to recreate the bond, generating an acyl-enzyme intermediate.
  • Now, water comes into the reaction. Water replaces the N-terminus of the cleaved peptide, and attacks the carbonyl carbon. Once again, the electrons from the double bond move to the oxygen making it negative, as the bond between the oxygen of the water and the carbon is formed. This is coordinated by the nitrogen of the histidine, which accepts a proton from the water. Overall, this generates another tetrahedral intermediate.
  • In a final reaction, the bond formed in the first step between the serine and the carbonyl carbon moves to attack the hydrogen that the histidine just acquired. The now electron-deficient carbonyl carbon re-forms the double bond with the oxygen. As a result, the C-terminus of the peptide is now ejected.

Additional stabilizing effects Edit

It was discovered that additional amino acids of the protease, Gly 193 a Ser 195, are involved in creating what is called an oxyanion hole. Oba Gly 193 a Ser 195 can donate backbone hydrogens for hydrogen bonding. When the tetrahedral intermediate of step 1 and step 3 are generated, the negative oxygen ion, having accepted the electrons from the carbonyl double bond, fits perfectly into the oxyanion hole. In effect, serine proteases preferentially bind the transition state and the overall structure is favored, lowering the activation energy of the reaction. This "preferential binding" is responsible for much of the catalytic efficiency of the enzyme.

Host organisms must ensure that the activity of serine proteases is adequately regulated. This is achieved by a requirement for initial protease activation, and the secretion of inhibitors.

Zymogen activation Edit

Zymogens are the usually inactive precursors of an enzyme. If the digestive enzymes were active when synthesized, they would immediately start chewing up the synthesizing organs and tissues. Acute pancreatitis is such a condition, in which there is premature activation of the digestive enzymes in the pancreas, resulting in self-digestion (autolysis). It also complicates postmortem investigations, as the pancreas often digests itself before it can be assessed visually.

Zymogens are large, inactive structures, which have the ability to break apart or change into the smaller activated enzymes. The difference between zymogens and the activated enzymes lies in the fact that the active site for catalysis of the zymogens is distorted. As a result, the substrate polypeptide cannot bind effectively, and proteolysis does not occur. Only after activation, during which the conformation and structure of the zymogen change and the active site is opened, can proteolysis occur.

Zymogen Enzym Poznámky
Trypsinogen trypsin When trypsinogen enters the small intestine from the pancreas, enteropeptidase secretions from the duodenal mucosa cleave the lysine 15 - isoleucine 16 peptide bond of the zymogen. As a result, the zymogen trypsinogen breaks down into trypsin. Recall that trypsin is also responsible for cleaving lysine peptide bonds, and thus, once a small amount of trypsin is generated, it participates in cleavage of its own zymogen, generating even more trypsin. The process of trypsin activation can thus be called autocatalytic.
Chymotrypsinogen chymotrypsin After the Arg 15 - Ile 16 bond in the chymotrypsinogen zymogen is cleaved by trypsin, the newly generated structure called a pi-chymotrypsin undergoes autolysis (self digestion), yielding active chymotrypsin.
Proelastase elastase It is activated by cleavage through trypsin.

As can be seen, trypsinogen activation to trypsin is essential, because it activates its own reaction, as well as the reaction of both chymotrypsin a elastase. Therefore, it is essential that this activation does not occur prematurely. There are several protective measures taken by the organism to prevent self-digestion:

  • The activation of trypsinogen by trypsin is relatively slow
  • The zymogens are stored in zymogen granules, capsules that have walls that are thought to be resistant to proteolysis.

Inhibition Edit

There are certain inhibitors that resemble the tetrahedral intermediate, and thus fill up the active site, preventing the enzyme from working properly. Trypsin, a powerful digestive enzyme, is generated in the pancreas. Inhibitors prevent self-digestion of the pancreas itself.

Serine proteases are paired with serine protease inhibitors, which turn off their activity when they are no longer needed. [6]

Serine proteases are inhibited by a diverse group of inhibitors, including synthetic chemical inhibitors for research or therapeutic purposes, and also natural proteinaceous inhibitors. One family of natural inhibitors called "serpins" (abbreviated from serine protease inhibitors) can form a covalent bond with the serine protease, inhibiting its function. The best-studied serpins are antithrombin and alpha 1-antitrypsin, studied for their role in coagulation/thrombosis and emphysema/A1AT, respectively. Artificial irreversible small molecule inhibitors include AEBSF and PMSF.

A family of arthropod serine peptidase inhibitors, called pacifastin, has been identified in locusts and crayfish, and may function in the arthropod immune system. [7]

Mutations may lead to decreased or increased activity of enzymes. This may have different consequences, depending on the normal function of the serine protease. For example, mutations in protein C can lead to protein C deficiency and predisposing to thrombosis. Also, some proteases play a vital role in host cell-virus fusion activation by priming virus's Spike protein to show the protein named "fusion protein" (TMPRSS2 activate SARS-CoV-2 fusion).

Determination of serine protease levels may be useful in the context of particular diseases.