Ilmuwan Mengungkap Cara Kerja Enzim Antioksidan Yang Sulit Dicapai Dengan Potensi Terapeutik

Mitokondria, yang dikenal sebagai pembangkit tenaga listrik di dalam sel manusia, menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk kelangsungan hidup sel. Namun, sebagai produk sampingan dari proses ini, mitokondria juga menghasilkan spesies oksigen reaktif (ROS). Pada konsentrasi yang cukup tinggi, ROS menyebabkan kerusakan oksidatif dan bahkan dapat membunuh sel. Kelebihan ROS telah dikaitkan dengan berbagai masalah kesehatan, termasuk kanker, gangguan neurologis, dan penyakit jantung.

Enzim yang disebut manganese superoxide dismutase, atau MnSOD, menggunakan mekanisme yang melibatkan transfer elektron dan proton untuk menurunkan kadar ROS di mitokondria, sehingga mencegah kerusakan oksidatif dan menjaga kesehatan sel. Lebih dari seperempat enzim yang diketahui juga mengandalkan transfer elektron dan proton untuk memfasilitasi aktivitas seluler yang penting bagi kesehatan manusia. Namun, sebagian besar mekanismenya tidak jelas karena sulitnya mengamati bagaimana proton bergerak.

Para peneliti dari Pusat Medis Universitas Nebraska (UNMC) dan Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL) Departemen Energi (DOE) kini telah mengamati struktur atom lengkap MnSOD, termasuk pengaturan protonnya, dengan hamburan neutron. Temuan yang dipublikasikan di Nature Communications, mengungkapkan bagaimana proton digunakan sebagai alat untuk membantu MnSOD mentransfer elektron untuk mengurangi tingkat ROS. Pekerjaan ini dapat membantu para ahli mengembangkan perawatan berbasis MnSOD dan merancang obat terapeutik yang meniru perilaku antioksidannya. Studi neutron juga membuka jalan untuk mempelajari enzim lain yang memanfaatkan transfer elektron dan proton.

"Dengan menggunakan neutron, kami dapat melihat fitur MnSOD yang sama sekali tidak terduga, dan kami yakin ini akan merevolusi cara orang berpikir enzim ini dan enzim lain seperti itu bekerja," kata Gloria Borgstahl, seorang profesor UNMC dan penulis terkait studi baru tersebut.

MnSOD bekerja dengan menargetkan superoksida, molekul reaktif yang bocor dari proses produksi energi mitokondria dan merupakan prekursor kimiawi untuk ROS berbahaya lainnya. Situs aktif enzim mengubah superoksida menjadi produk yang tidak terlalu beracun dengan menggunakan ion mangannya untuk memindahkan elektron ke dan dari molekul reaktif. Ion mangan mampu mencuri elektron dari molekul superoksida, mengubahnya menjadi oksigen. Elektron yang dicuri ini kemudian dapat diberikan ke superoksida lain untuk membuat hidrogen peroksida.

Agar reaksi biokimia ini bekerja, serangkaian gerakan proton perlu terjadi antara asam amino enzim dan molekul lain di situs aktifnya. Proton bertindak sebagai instrumen yang memungkinkan elektron bergerak. Hingga saat ini, urutan enzim transfer elektron dan proton, juga dikenal sebagai mekanisme katalitiknya, belum ditentukan pada tingkat atom karena tantangan dalam melacak bagaimana proton bolak-balik antar molekul. Pemahaman mendasar tentang proses katalitik ini dapat menginformasikan pendekatan terapeutik yang memanfaatkan kemampuan antioksidan enzim ini.

Transfer proton tidak mudah terlihat karena terjadi dalam bentuk atom hidrogen, yang sulit dideteksi oleh sinar-x dan teknik lain untuk mengamati atom. Neutron, di sisi lain, sensitif terhadap elemen yang lebih ringan seperti hidrogen dan dengan demikian dapat menunjukkan pergerakan proton. Neutron juga cocok untuk penelitian ini karena mereka tidak berinteraksi dengan elektron, tidak seperti teknik visualisasi atom lainnya. Dengan demikian, mereka dapat digunakan untuk mempelajari cara kerja bagian dalam enzim transfer elektron tanpa mengganggu keadaan elektroniknya.

"Karena neutron adalah partikel yang tidak berinteraksi dengan muatan, mereka tidak mengganggu sifat elektronik logam, yang menjadikannya sebagai probe yang ideal untuk menganalisis enzim yang mengandung logam, seperti MnSOD," kata Leighton Coates, ilmuwan pemecah neutron ORNL. terlibat dengan penelitian ini. "Selain itu, neutron tidak menyebabkan kerusakan radiasi pada material, memungkinkan kami mengumpulkan beberapa snapshot dari sampel yang sama saat berpindah antar keadaan elektronik."

Menggunakan MaNDi, difraktometer neutron makromolekul di Sumber Neutron Spallation (SNS) ORNL, tim peneliti dapat memetakan seluruh struktur atom MnSOD dan melacak bagaimana proton enzim berubah ketika ia mendapatkan atau kehilangan elektron. Dengan menganalisis data neutron, para ilmuwan menelusuri jalur proton saat mereka bergerak di sekitar situs aktif. Dengan menggunakan informasi ini, tim membangun model mekanisme katalitik yang diusulkan, merinci bagaimana transfer elektron dan proton memungkinkan MnSOD untuk mengatur tingkat superoksida.

Analisis mereka menunjukkan bahwa katalisis melibatkan dua transfer proton internal antara asam amino enzim dan dua transfer proton eksternal yang berasal dari molekul pelarut. Sementara hasil penelitian ini mengkonfirmasi beberapa prediksi masa lalu tentang sifat biokimia enzim, beberapa aspek tidak terduga dan menantang kepercayaan yang dipegang sebelumnya.

Misalnya, tim menemukan transfer proton siklik yang terjadi antara asam amino glutamin dan molekul pelarut terikat mangan. Interaksi ini adalah bagian sentral dari proses katalitik, karena memungkinkan enzim untuk berputar di antara dua keadaan elektroniknya. Para peneliti juga menemukan pergerakan proton di dalam situs aktif menjadi tidak biasa, karena beberapa asam amino tidak memiliki proton seperti biasanya. Studi ini menunjukkan efek dramatis logam pada kimia situs aktif yang biasanya tidak diperhitungkan.

"Hasil kami menunjukkan bahwa mekanisme ini lebih kompleks dan atipikal daripada teori studi sebelumnya," kata Jahaun Azadmanesh, seorang peneliti di UNMC dan rekan penulis studi.

Sebagai langkah selanjutnya dalam proyek ini, para peneliti sekarang berencana untuk memeriksa struktur enzim saat terikat pada substrat superoksida. Mereka juga bertujuan untuk mempelajari komponen mutasi MnSOD untuk mendapatkan rincian lebih lanjut tentang bagaimana setiap asam amino mempengaruhi katalisis. Tujuan penelitian lainnya adalah untuk memperluas analisis neutron mereka ke enzim lain yang bergantung pada transfer elektron dan proton untuk melakukan tugas seluler.

"Lebih dari seperempat dari semua aktivitas enzim yang diketahui melibatkan transfer elektron dan proton," kata Azadmanesh. "MnSOD hanyalah salah satu enzim di lautan banyak enzim lainnya, dan dengan neutron, kita dapat mempelajari mekanisme katalitiknya ke tingkat detail yang belum pernah mungkin terjadi sebelumnya." [Sciencedaily, wapseru.biz]