Биомаркери в хранителната наука - моделиране на взаимодействието на
Моделиране на взаимодействието на хранителните съставки с протеините
Моделирането на молекулярни взаимодействия (Molecular Modeling) се е утвърдило като стандартен метод при разработването на активни съставки през последните няколко десетилетия. В Института за хранителни науки към Университета в Потсдам методите за молекулярно моделиране се използват в интердисциплинарен изследователски фокус, за да се оцени поведението на хранително значими съединения на молекулярно ниво. Характеризирането на такива взаимодействия заедно с функционални данни от установени биохимични и физиологични процедури за тестване допринасят значително за по-доброто разбиране на значението на отделните съставки в храната за профилактика на хранително-зависими заболявания като сърдечно-съдови заболявания, рак, захарен диабет и невродегенеративни заболявания.
По отношение на биоактивните хранителни съставки в допълнение към нековалентните модификации се очакват ковалентни модификации. Молекулите, модифицирани по този начин, също могат да бъдат потенциални „хранителни цели“, към които, подобно на „лекарствени цели“ като целеви молекули в кръвта или в телесните клетки, биоактивните агенти специфично се свързват и по този начин предизвикват ефекти. В допълнение, протеините често изпълняват своята функция заедно с други биомолекули като лиганди. Тези молекули могат да бъдат други протеини (протеиново-протеинови взаимодействия) или метаболити („малкомолекулни протеинови взаимодействия“) и поради това са включени в най-широкия смисъл в посока „интерактомия“. Съществена разлика във фармацевтичните изследвания е, че промените в хранителните компоненти (протеините) се изследват извънредно, причинени от хранителните технологични процеси.
Фигура 1 Представяне на възможните места за модифициране на протеини в протеини за съхранение на кафе, адаптирани от [1]
Целта на изследователската дейност на молекулярното моделиране се основава на концептуалния и аналитично-експерименталния подход за характеризиране на взаимодействието на хранителните компоненти и метаболитите с различни протеини. Общите методи за молекулярно моделиране са докинг (лиганд върху целта; протеин/протеин), изследвания на молекулярната динамика и хомологично моделиране на протеини. Тези методи ще бъдат представени с помощта на няколко примера от нашето изследване.
Докинг изследвания за молекулярна динамика на кафе протеини
Кафето е името, дадено на семената от рода Coffea, които са освободени от кората на плодовете и семената. Съхраняващите протеини в семената съставляват най-голямата част от общото съдържание на протеин. Основната фракция е кълбовиден 11S протеин, който е хексамер. Шестте субединици с приблизително 58 kDa могат да бъдат разделени на α и β субединица при редуциращи условия. Кафените зърна са сред храните, богати на хлорогенова киселина. Едно свойство на такива фенолни съединения е тяхната чувствителност към окисляване. Това позволява реакции след прибиране на реколтата (във фазата на узряване и след прибиране на реколтата) с протеини от кафе. В процеса на преработка и съхранение фенолните компоненти на растителните храни могат да реагират с аминокиселините на протеините в храните.
Фиг. 2 T3 изход от TTR. Показана е молекулярната повърхност около изходния канал. Можете да видите, че средата се променя от липофилна (зелена) към хидрофилна (златна). Неутралните или по-слабо изразени свойства са показани в бяло или по-светло. Повече подробности можете да намерите в [4].
Такива реакции могат да променят физико-химичните свойства на протеините и тяхната хранителна стойност. Протеините имат различни реактивни странични групи (тиол, хидроксил, аминогрупи), с които могат да влизат в ковалентни и нековалентни взаимодействия с фенолни съединения. Резултатите показват широко и много хетерогенно образуване на адукти с амино странични вериги на лизин и цистеин (Cys). Създаден е каталог на различните продукти на реакцията и тези възможности за реакция са локализирани и моделирани в зелените кафе на зърна. За тази цел за първи път е моделиран протеинът за кафе (хомоложен модел, базиран на PDB шаблони: 3FZ3-BD, 2D5F-B и 3C3V-A (мономер) и 3KSC, 2E9Q и 1UD1 (тример); база данни за белтъци за въвеждане на база данни pdb - http: // www .pdb.org/pdb/home/home.do), който определя „фармакофора“ на реактивните амино странични вериги като спомагателна функция и симулира реакцията или модификацията на кафе протеина чрез докинг проучвания. Подробностите за подходите са описани в [1] и Фиг. 1 показва възможни модификации на протеини в протеините на кафе.
Фиг. 3 Стартовата структура от Hanson et al. [6]; Окончателна структура на новоизчисленото оцветено злато S1P1; Грешка в стартовата структура; окончателно преизчислени позиции. A) Стартов модел Pdb 3V2Y, B) Финален модел S1P1
"Управлявана" (контролирана) молекулярна динамика, използвайки примера на транстиретин
Транстиретинът (TTR) е еволюционно силно консервиран транспортен протеин за тиреоидни хормони (T3, T4) и ретинол (в комплекс с RBP4), който се среща при хората в кръвта и цереброспиналната течност [2]. Това е хомотетрамер, чиито подединици се състоят от 127 аминокиселини и който има висок дял на β-листни структури [3]. Понастоящем голям брой рентгенови структури са известни с TTR. Досега стандартните методи за молекулярно моделиране са били използвани до голяма степен (докинг; хомоложно моделиране, протеинов дизайн). За да се изследва влиянието на пост-транслационната модификация на протеина (PTM) върху транспорта на хормони на щитовидната жлеза с TTR, беше използван методът „управлявана“ молекулярна динамика (SMD).
Този подход предлага възможност да се изследва динамиката между свързването и дисоциацията на биомолекулна система и в нашия случай да се изследва скоростта на излизане на T3/T4 и нейните взаимодействия с различно модифицираната TTR. С този метод успяхме да докажем, че PTM имат значително влияние върху скоростта, с която щитовидният хормон излиза от своето свързващо положение. Това се получава, от една страна, от взаимодействието на протеина с променящите се лиганди и, от друга страна, от промени, настъпващи в изходния канал, които могат да стигнат толкова далеч, че той е затворен. Това може да бъде поставено в контекста на хипо- и хипертиреоидизъм. Фигура 2 показва маршрута, по който T3 преминава от TTR.
Фиг. 4 Процес на стъпки за разработване на хомоложен модел
Хомологично моделиране и проучвания за докинг/свързване на сфингозин фосфатния рецептор
Сфингозин-1-фосфатните рецептори (S1P1 - S1P5) са свързани с мембрана G-протеинови рецептори, които са причислени към клас А (родопсиноподобни). Нативният лиганд за тези рецептори е сфингозин-1-фосфат (S1P). S1P рецепторите се регулират от S1P и следователно подлежат на автокринна и паракринна регулация с вътреклетъчни и извънклетъчни ефекти. S1P медиира множество физиологични ефекти в организма и също така участва в патофизиологичните промени. S1P е от особено значение в имунологичните процеси. Свързвайки се с рецептора S1P1, той е отговорен за циркулацията на лимфоцитите между кръвта, лимфата и лимфните възли. Това доведе до въвеждането на ново лекарство, финголимод, за лечение на множествена склероза.
Фиг. 5 Обвързване на „пеперудени връзки“ към S1P1, вж. [5]
Michael A. Hanson et al. публикува рентгеновата структура на S1P в научен документ през 2012 г. Разделителната способност на структурата беше около 3 Å. За нашите изследвания използвахме публикуваната структура 3V2W (Фиг. 3а, Pdb код - http://www.pdb.org/pdb/home/home.do) [6]. S1P1 се слива с Т4 лизозим, за да се получи стабилна протеинова структура за кристализация (Фиг. 3). За да има структура, подходяща за нашите изследвания, дефекти в рентгеновата структура и слетия протеин трябваше да бъдат отстранени. За това е използван комбиниран процес на хомоложно моделиране - MD изчисления „Induced Fit” докинг (Induced Fit: протеинът е структурно гъвкав като лиганда, който ще се изследва). Тази процедура се дължи на относително лошата разделителна способност на рентгеновата структура. След това хомоложният модел е създаден съгласно процедурните стъпки, които са тествани от нас (Фиг. 4, блок-схема).
След това разработеният от нас модел може да се използва за изследване на нови потенциални лиганди на S1P1. С този рецепторен модел може да се покаже, че новите "пеперудени съединения" (по-нататъшни разработки на имуномодулиращия финголимод - FTY720) са в състояние да се прикачат към рецептора S1P1 (фиг. 5) [5].
Тези няколко примера показват, че новите връзки между приема на различни хранителни съставки, техните метаболити и взаимодействието им с протеините са отлично представени чрез молекулярно моделиране, за да се характеризират ефектите върху някои заболявания и по този начин да допринесат за тяхната профилактика и да причинят идентифициране.
(Първа публикация на статията: Homann, T., Rawel, H. M., Schweigert, F. J., Kleuser, B. (2015) труда и още 1, 18–22)
Категория: Хранителни науки | Интерактомия