Amyloider är klumpar av proteinfragment som håller ihop för att bilda trådiga fibriller som placken som ses i hjärnan hos Alzheimers patienter. Många av dessa proteiner binder till metaller som zink, men strukturen för dessa metallbundna proteiner har varit svår att studera. Betydelsen av dessa metaller för amyloids aktivitet är således fortfarande en öppen fråga, vilket är desto mer förvirrande eftersom vissa amyloider är associerade med sjukdom men andra inte.

Ett team av MIT -kemister, arbetar med forskare vid University of California i San Francisco (UCSF) och Syracuse University, har nu dechiffrerat strukturen för en amyloid som binder till zink. Deras tillvägagångssätt, baserat på kärnmagnetisk resonans (NMR), kan också användas för att avslöja strukturerna för ytterligare metallbundna amyloider.

"Även om det har varit mycket högupplöst, atomnivå strukturellt arbete på amyloider med fast tillstånd NMR, människor har verkligen inte studerat de metallbindande aspekterna, "säger Mei Hong, en MIT -professor i kemi och en av tidningens författare, som visas i Förfaranden från National Academy of Sciences veckan den 29 maj.

Forskare vid UCSF och Syracuse utformade amyloidproteinet för att katalysera en specifik reaktion:att kombinera koldioxid och vatten för att bilda bikarbonat. Amyloidens nyupptäckta struktur belyser hur proteinet utför denna funktion och hur zink hjälper till i reaktionskatalysen.

William DeGrado, professor i farmaceutisk kemi vid UCSF, är tidningens andra seniorförfattare. MT -doktorand Myungwoon Lee är huvudförfattare till tidningen.

Strukturbestämning

Medan amyloider ofta är associerade med sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons sjukdomar, andra amyloider har normala biologiska funktioner.

UCSF- och Syracuse-forskarna rapporterade först sin artificiella amyloid 2014. Deras mål var att producera ett mycket enkelt metallbundet protein som kan katalysera en kemisk reaktion som är nödvändig för livet, i hopp om att visa att sådana enkla metallbundna peptider kunde ha varit föregångare till dagens enzymer. I det papperet, de visade att peptiden, som består av sju aminosyror bundna till en zinkjon, kan katalysera omvandlingen av koldioxid och vatten till bikarbonat lika effektivt som enzymet kolsyraanhydras, som utför denna reaktion i levande celler och också kräver zink.

"Det är troligt för mycket små peptider som bär metalljoner att göra kemi, och utvecklingen av enzymaktiviteter kan ha startat från dessa små peptider, "Säger Hong.

UCSF -forskarna utformade sin peptid så att dess aktiva plats, där den kemiska reaktionen äger rum, skulle efterlikna kolsyraanhydras, som har en zinkjon bunden till tre kedjor av aminosyran histidin. Dock, de visste inte den exakta strukturen hos fibrillerna som bildas av deras peptid, det var där Hong och hennes MIT -kollegor kom in.

För att bestämma strukturen, forskargruppen använde ett tvådelat tillvägagångssätt baserat på NMR-spektroskopi och bioinformatik, som är en metod för att använda datoralgoritmer för att analysera biologiska data.

Med NMR, forskarna bestämde först att peptiderna bildar en lång fibrilkedja som består av lager av strukturer som kallas beta -ark. Inom varje beta -blad, varje peptidsträng har två histidiner som kan interagera med nästa sträng. Deras nästa mål var att bestämma hur zinkjonerna passar in i denna flervärdiga och flerskiktade struktur.

NMR använder atomkärnornas magnetiska egenskaper för att avslöja strukturerna hos molekylerna som innehåller dessa kärnor. I detta fall, forskarna använde NMR för att analysera signaler från viktiga kväveatomer i histidinsidkedjorna som interagerar med zinkjoner. Genom att jämföra dessa signaler när amyloiderna var och inte var bundna till zink, forskarna bestämde att hälften av histidinerna koordinerar en zinkatom vardera, medan den andra halvan interagerar med två zinkatomer vardera. "Den höga koncentrationen av histidiner som överbryggar två zinkjoner är mycket ovanlig, "Säger Hong.

Forskarna använde också NMR för att mäta vinklarna på bindningarna som gör att histidin kan interagera med zink, och använde sedan bioinformatik för att bestämma de möjliga strukturerna i överensstämmelse med dessa konfigurationer. Detta avslöjade att en zinkatom sitter mellan två amyloid-beta-strängar, och den är bunden till en histidin sidkedja ovanifrån och två underifrån. Detta bildar en tetraedral struktur där tre histidinnitrogener håller zinket på plats medan ett histidinkväve förblir obundet.

Tidig katalys

Det obundna histidinkvävet är fritt att binda till en molekyl av vatten, som är nödvändig för att utföra reaktionen katalyserad av zinkjonen. Hongs samarbetspartners vid UCSF har tidigare visat att denna amyloid katalyserar bikarbonatbildning med en hastighet som liknar kolsyraanhydras, stöder teorin om att denna typ av enkel amyloid kunde ha använts av tidiga livsformer för att utföra viktiga reaktioner.

Hong planerar nu att börja studera strukturen för metallbundna amyloider som är involverade i neurodegenerativa sjukdomar. De amyloider som är involverade i både Parkinsons och Alzheimers sjukdomar har visat sig binda till metalljoner, inklusive zink och koppar, men hur dessa metaller påverkar sjukdomarna är inte känt, inte heller har deras strukturer fastställts.

"Det har gjorts några molekylära dynamiksimuleringar för att gissa hur metaller binder dessa histidiner, men det har inte funnits någon högupplöst, atomundersökning av koordineringsstrukturen, "Säger Hong.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.