Exploración de la interacción hirudina-trombina mediante la incorporación de aminoácidos no codificados y simulación de dinámica molecular
Probing the hirudin-thrombin interaction by incorporation of noncoded amino acids and molecular dynamics simulation
Estudio bioquímico en la revista Biochemistry (2002)
Resumen
Thrombin is a primary target for the development of novel anticoagulants, since it plays two important and opposite roles in hemostasis: procoagulant and anticoagulant. All thrombin functions are influenced by Na+ binding, which triggers the transition of this enzyme from an anticoagulant (slow) form to a procoagulant (fast) form. In previous studies, we have conveniently produced by chemical synthesis analogues of the N-terminal fragment 1-47 of hirudin HM2 containing noncoded amino acids and displaying up to approximately 2700-fold more potent antithrombin activity, comparable to that of full-length hirudin. In the work presented here, we have exploited the versatility of chemical synthesis to probe the structural and energetic properties of the S3 site of thrombin through perturbations introduced in the structure of hirudin fragment 1-47. In particular, we have investigated the effects of systematic replacement of Tyr3 with noncoded amino acids retaining the aromatic nucleus of Tyr, as well as similar hydrophobic and steric properties, but possessing different electronic (e.g., p-fluoro-, p-iodo-, or p-nitro-Phe), charge (p-aminomethyl-Phe), or conformational (homo-Phe) properties. Our results indicate that the affinity of fragment 1-47 for thrombin is proportional to the desolvation free energy change upon complex formation, and is inversely related to the electric dipole moment of the amino acid side chain at position 3 of hirudin. In this study, we have also identified the key features that are responsible for the preferential binding of hirudin to the procoagulant (fast) form of thrombin. Strikingly, shaving at position 3, by Tyr --> Ala exchange, abolishes the differences in the affinity for thrombin allosteric forms, whereas a bulkier side chain (e.g., beta-naphthylalanine) improves binding preferentially to the fast form. These results provide strong, albeit indirect, evidence that the procoagulant (fast) form of thrombin is in a more open and accessible conformation with respect to the less forgiving structure it acquires in the slow form. This view is also supported by the results of molecular dynamics simulations conducted for 18 ns on free thrombin in full explicit water, showing that after approximately 5 ns thrombin undergoes a significant conformational transition, from a more open conformation (which we propose can be related to the fast form) to a more compact and closed one (which we propose can be related to the slow form). This transition mainly involves the Trp148 and Trp60D loop, the S3 site, and the fibrinogen binding site, whereas the S1 site, the Na+-binding site, and the catalytic pocket remain essentially unchanged. In particular, our data indicate that the S3 site of the enzyme is less accessible to water in the putative slow form. This structural picture provides a reasonable molecular explanation for the fact that physiological substrates related to the procoagulant activity of thrombin (fibrinogen, thrombin receptor 1, and factor XIII) orient a bulky side chain into the S3 site of the enzyme. Taken together, our results can have important implications for the design of novel thrombin inhibitors, of practical utility in the treatment of coagulative disorders.
Resumen tomado de PubMed (NCBI) para el registro citado, en el idioma original. La versión de referencia es la de la publicación original.
El resumen se deja sin traducir para conservar la redacción original de los autores.
Síntesis
Análogos del fragmento 1-47 de la hirudina con aminoácidos no codificados mostraron hasta unas 2700 veces más actividad antitrombínica, equiparable a la de la hirudina completa. Al sustituir Tyr3, la afinidad fue proporcional al cambio de energía libre de desolvatación e inversa al momento dipolar de la cadena lateral en posición 3; Tyr→Ala anuló diferencias de afinidad entre formas alostéricas. Simulaciones de 18 ns avalan un modelo con forma rápida abierta y lenta cerrada, con posibles implicaciones para nuevos inhibidores.
Por qué esto importa para la hirudoterapia
Este estudio biofísico analiza la interacción hirudina–trombina utilizando análogos sintéticos del fragmento N-terminal 1–47 de la hirudina HM2, incorporando sustituciones con aminoácidos no codificados en la posición 3 (Tyr3) con propiedades electrónicas, de carga y conformacionales variables. Los investigadores hallaron que la afinidad del fragmento por la trombina se correlaciona con la energía libre de desolvatación y guarda una relación inversa con el momento dipolo eléctrico de la cadena lateral en la posición 3, e identificaron características estructurales clave responsables de la unión preferencial de la hirudina a la forma procoagulante (rápida) de la trombina, hallazgos respaldados por simulaciones de dinámica molecular de 18 ns. Este trabajo aporta información a nivel molecular sobre el mecanismo del anticoagulante derivado de sanguijuela hirudina. Salvedad: se trata de un estudio estructural y computacional in vitro; no involucra terapia con sanguijuelas, aplicación clínica ni experimentos con organismos completos.
Compuestos relacionados del registro de la ASH
Moléculas de la sanguijuela y fármacos derivados de la hirudina relacionados con el tema de este artículo, cada uno con un perfil completo en el registro de compuestos de la ASH:
Citación
Referencia (estilo Vancouver)
De Filippis V, Colombo G, Russo I, Spadari B, Fontana A. Probing the hirudin-thrombin interaction by incorporation of noncoded amino acids and molecular dynamics simulation. Biochemistry. 2002;41(46):13556-13569. doi:10.1021/bi0203482. PMID: 12427016
Los datos bibliográficos (autores, volumen, páginas, DOI) proceden del registro de PubMed.
Contexto clínico relacionado
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