Amilóides são aglomerados de fragmentos de proteínas que se unem para formar fibrilas fibrosas, como as placas vistas no cérebro de pacientes com Alzheimer. Muitas dessas proteínas se ligam a metais como o zinco, mas a estrutura dessas proteínas ligadas a metais tem sido difícil de estudar. A importância desses metais para a atividade de amilóides, portanto, permanece uma questão em aberto, o que é ainda mais desconcertante porque algumas amilóides estão associadas a doenças, mas outras não.

Uma equipe de químicos do MIT, trabalhando com pesquisadores da University of California at San Francisco (UCSF) e da Syracuse University, agora decifrou a estrutura de uma amiloide que se liga ao zinco. A abordagem deles, com base na ressonância magnética nuclear (NMR), também pode ser usado para revelar as estruturas de amilóides adicionais ligados a metais.

"Embora tenha havido muita alta resolução, trabalho estrutural de nível atômico em amilóides por NMR de estado sólido, as pessoas realmente não estudaram os aspectos de ligação de metal, "diz Mei Hong, um professor de química do MIT e um dos autores seniores do artigo, que aparece no Proceedings of the National Academy of Sciences na semana de 29 de maio.

Pesquisadores da UCSF e Syracuse desenvolveram a proteína amilóide para catalisar uma reação específica:combinar dióxido de carbono e água para formar bicarbonato. A estrutura recém-descoberta da amilóide esclarece como a proteína desempenha essa função e como o zinco auxilia na catálise da reação.

William DeGrado, um professor de química farmacêutica na UCSF, é o outro autor sênior do artigo. O estudante de graduação em MT, Myungwoon Lee, é o autor principal do artigo.

Determinação da estrutura

Embora amilóides sejam frequentemente associados a doenças como Alzheimer e Parkinson, outros amilóides têm funções biológicas normais.

Os pesquisadores da UCSF e de Syracuse relataram pela primeira vez sua amiloide artificial em 2014. Seu objetivo era produzir uma proteína ligada a um metal muito simples que pudesse catalisar uma reação química necessária para a vida, na esperança de demonstrar que esses simples peptídeos ligados a metais poderiam ter sido precursores das enzimas modernas. Nesse papel, eles mostraram que o peptídeo, que consiste em sete aminoácidos ligados a um íon zinco, poderia catalisar a conversão de dióxido de carbono e água em bicarbonato de forma tão eficiente quanto a enzima anidrase carbônica, que realiza essa reação em células vivas e também requer zinco.

"É plausível que peptídeos muito pequenos que carregam íons de metal façam química, e a evolução das atividades enzimáticas pode ter começado a partir desses pequenos peptídeos, "Hong diz.

Os pesquisadores da UCSF projetaram seu peptídeo de modo que seu sítio ativo, onde a reação química ocorre, imitaria a anidrase carbônica, que tem um íon zinco amarrado a três cadeias do aminoácido histidina. Contudo, eles não sabiam a estrutura precisa das fibrilas formadas por seu peptídeo, que é onde Hong e seus colegas do MIT entraram.

Para determinar a estrutura, a equipe de pesquisa usou uma abordagem dupla baseada em espectroscopia de NMR e bioinformática, que é um método de usar algoritmos de computador para analisar dados biológicos.

Usando NMR, os pesquisadores primeiro determinaram que os peptídeos formam uma longa cadeia de fibrilas que consiste em camadas de estruturas chamadas de folhas beta. Em cada planilha beta, cada fita de peptídeo tem duas histidinas que podem interagir com a próxima fita. Seu próximo objetivo era determinar como os íons de zinco se encaixavam nessa estrutura multicamadas e multicamadas.

NMR usa as propriedades magnéticas dos núcleos atômicos para revelar as estruturas das moléculas que contêm esses núcleos. Nesse caso, os pesquisadores usaram NMR para analisar sinais de átomos chave de nitrogênio nas cadeias laterais de histidina que interagem com íons de zinco. Ao comparar esses sinais quando as amilóides foram ou não ligadas ao zinco, os pesquisadores determinaram que metade das histidinas coordenam um átomo de zinco cada, enquanto a outra metade interage com dois átomos de zinco cada. "A alta concentração de histidinas ligando dois íons de zinco é muito incomum, "Hong diz.

Os pesquisadores também usaram NMR para medir os ângulos das ligações que permitem que a histidina interaja com o zinco, e então usou bioinformática para determinar as estruturas possíveis consistentes com essas configurações. Isso revelou que um átomo de zinco fica entre duas fitas beta-amilóide, e está ligado a uma cadeia lateral de histidina por cima e duas por baixo. Isso forma uma estrutura tetraédrica na qual três nitrogênios de histidina mantêm o zinco no lugar, enquanto um nitrogênio de histidina permanece solto.

Catálise precoce

O nitrogênio da histidina não ligado é livre para se ligar a uma molécula de água, que é necessário para realizar a reação catalisada pelo íon zinco. Os colaboradores de Hong na UCSF mostraram anteriormente que este amiloide catalisa a formação de bicarbonato a uma taxa semelhante à da anidrase carbônica, apoiando a teoria de que este tipo de amiloide simples poderia ter sido usado por formas de vida iniciais para realizar reações importantes.

Hong agora planeja começar a estudar a estrutura das amilóides ligadas a metais envolvidas em doenças neurodegenerativas. Foi demonstrado que os amilóides envolvidos nas doenças de Parkinson e Alzheimer se ligam a íons metálicos, incluindo zinco e cobre, mas não se sabe como esses metais influenciam as doenças, nem suas estruturas foram determinadas.

"Tem havido algumas simulações de dinâmica molecular para adivinhar como os metais se ligam a essas histidinas, mas não houve alta resolução, investigação em nível atômico da estrutura de coordenação, "Hong diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.