As observações diretas da estrutura e do mecanismo catalítico de uma enzima quinase prototípica - proteína quinase A ou PKA - fornecerão aos pesquisadores e desenvolvedores de drogas habilidades significativamente aprimoradas para compreender e tratar doenças fatais e distúrbios neurológicos, como câncer, diabetes, e fibrose cística.

A descoberta foi feita por uma equipe internacional de pesquisadores usando cristalografia macromolecular de nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia e no Institut Laue-Langevin em Grenoble, França. Com base em uma investigação de uma década, os esforços combinados revelaram características anteriormente desconhecidas da proteína quinase arquetípica, incluindo um mapa completo da estrutura atômica e as bases da química da enzima usada na sinalização celular. Os detalhes são publicados na revista Avanços da Ciência .

As quinases são um grande grupo de centenas de enzimas responsáveis ​​por iniciar e regular uma miríade de processos celulares. As quinases enviam sinais às proteínas por meio da fosforilação - adicionando um grupo químico reativo que consiste em fósforo e oxigênio a um local específico em uma proteína substrato para ativar sua função biológica específica.

Os problemas surgem quando as mutações genéticas fazem com que as quinases funcionem de forma inadequada, o que, por sua vez, leva à doença. Uma quinase com defeito, ou um que não pode ser desativado, pode ser responsável pela superexpressão de proteínas que levam à propagação incontrolável de células cancerosas. O oposto também é verdadeiro em distúrbios neurológicos nos quais uma quinase com defeito simplesmente faz com que as células morram.

"Criar drogas que tenham como alvo cinases específicas é extremamente importante, "disse o co-autor Andrey Kovalevsky." Este entendimento detalhado da estrutura PKA e sua dinâmica vai nos dizer mais sobre outros tipos de quinases e deve ajudar os desenvolvedores de medicamentos a projetar novos medicamentos com melhor especificidade, o que acabaria por se traduzir em uma terapêutica mais precisa com menos efeitos colaterais ”.

Mudanças na estrutura da proteína devido a mutações podem ser difíceis de detectar, embora os efeitos das mutações no comportamento dinâmico da proteína possam ser bastante profundos. Contudo, esses comportamentos dinâmicos tornam-se mais aparentes ao examinar a rede geral de ligações de hidrogênio em toda a proteína.

Os nêutrons são especialmente sensíveis aos elementos leves, como o hidrogênio. Como aproximadamente 50 por cento de todos os átomos nas proteínas são hidrogênio, e a maioria das reações químicas que as enzimas catalisam envolvem hidrogênio, nêutrons são uma sonda ideal e insuperável para detectar as posições dos átomos de hidrogênio dentro da estrutura da proteína e rastrear seu movimento durante a catálise.

Difração de nêutrons usando o difratômetro IMAGINE no reator de isótopos de alto fluxo de ORNL, um DOE Office of Science User Facility, e o difratômetro LADI-III no ILL permitiu aos pesquisadores ver as posições exatas dos átomos de hidrogênio para revelar a estrutura completa da quinase, bem como os estados de protonação de todos os aminoácidos em PKA e os ligantes ligados ao seu sítio ativo, muitos dos quais eram previamente desconhecidos.

"Os nêutrons nos permitiram validar as previsões de raios-X das posições dos átomos de hidrogênio, bem como determinar os estados de protonação de grupos químicos que não eram conhecidos, ou em lugares onde não esperávamos encontrá-los. Este grande avanço químico abre caminho para modelagem molecular mais sofisticada e estudos de simulação da estrutura e função da proteína quinase, "disse a autora correspondente, Susan Taylor.

"Os nêutrons oferecem uma visão sem precedentes da rede de ligações de hidrogênio ao redor e dentro do sítio ativo de PKA e fornecem informações cruciais sobre como ocorre a transmissão alostérica de informações através da estrutura da proteína, "acrescentou o co-autor Gianluigi Veglia." A combinação da cristalografia de nêutrons com a espectroscopia de ressonância magnética nuclear fornecerá uma compreensão abrangente de como as enzimas funcionam. "