Окись азота (NO) является естественным свободным радикалом, который выступает на главных ролях как в окружающей нас среде, так и в живых организмах. Например, находясь при низкой концентрации, NO защищает организмы от воздействия патогенов, действуя на них подобно химическому оружию. Однако некоторые микробы научились обороняться от напасти: так, многие бактерии встречают NO, держа наготове специальные ферменты — редуктазы оксида азота (NORs), которые эффективно нейтрализуют NO.
Ранее при изучении редуктаз биологи ограничивались рассмотрением фермента цитохром с-зависимой NOR (cNOR), несмотря на гораздо бóльшую популярность среди микроорганизмов фермента qNOR. Видимо, дело в том, что cNOR обладает последовательностью аминокислот и металлолигандов, похожей на другие респираторные ферменты, известные как цитохром-оксидазы.
Для того чтобы разобраться с молекулярной эволюцией этих респираторных ферментов и понять, как эта эволюция влияет на ферментативную функциональность, г-н Широ и его коллеги сравнили только что решённую 3D-структуру qNOR со структурами cNOR, а также со структурами цитохром-оксидаз. Все они оказались в общем идентичны; кроме того, части qNOR и cNOR, располагающиеся вне клеточных мембран, совпадают с аналогичными фрагментами оксидаз. Однако в составе qNOR отсутствует железосодержащая функциональная группа heme-c, которая выступает донором электронов для структуры cNOR. Несмотря на это серьёзное различие, данный домен демонстрирует тот же самый мотив фолдинга, что и cNOR, за что спасибо объёмным остаткам, которые компенсируют зияющую пустоту на том месте, где мог бы находиться heme-c.
Определив ключевые структурные компоненты qNOR, учёные раскрыли секрет механизма действия этого фермента: электронодонорная гидрохиноновая группа взаимодействует с трансмембранной частью qNOR посредством водородных связей, ускоряя электронный трансфер с гидрохинонового заместителя к основному ядру молекулы. Кроме того, кристаллографические данные показали, что трансмембранный домен содержит значительное количество воды, образовавшей гидрофильный канал, который ведёт к цитоплазме клетки. Компьютерное моделирование показало, что этот канал способен транспортировать каталитические протоны к реакционному центру, где и происходит восстановление NO. По словам г-на Широ, водный канал в qNOR располагается в том же регионе, что и протонный канал оксидаз, и это помогает понять, каким образом респираторный фермент приобрёл свои способности к прокачке протонов.
Полный отчёт о проделанной работе смотрите в журнале Nature Structural & Molecular Biology.
Теперь учёные ищут вещество, способное эффективно ингибировать qNOR и cNOR, образуя бактериальный NOR–комплекс, структуру которого в дальнейшем также предполагается изучить. Подобные ингибиторы могли бы использоваться в качестве антибиотика, а также поспособствовать снижению глобальной эмиссии закиси азота (N2O).
