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4.4 - Grippe - Neuraminidase - Aktives Zentrum

Struktur des aktiven Zentrums der Influenza-Neuraminidase

Die Lage und Struktur des aktiven Zentrums der Influenza-Neuraminidase konnte durch Röntgenstrukturanalysen von Kristallen der Neuraminidase im Komplex mit ihrem natürlichen Substrat, der N-Acetyl-neuraminsäure (Sialinsäure), ermittelt werden. Die auf diese Weise gewonnenen Erkenntnisse über die Struktur des Neuraminidase-Sialinsäure-Komplexes erlauben u.a. Aussagen über die dreidimensionale Struktur des aktiven Zentrums, seine elektronischen Eigenschaften, die Wechselwirkungen mit der Sialinsäure sowie den Übergangszustand der Sialinsäure während der enzymatischen Abspaltung vom Glycoprotein.

Diese Ergebnisse werden im folgenden zusammengefasst:

Abb.1
Bändermodell des Neuraminidase-Monomers

Auf der Oberseite eines jeden Neuraminidase-Monomerkopfes (grünes Bändermodell) liegt das aktive Zentrum (Aminosäuren in blauen Sticks), das die Sialinsäure (rote Kalotten) bindet.

Das aktive Zentrum der Neuraminidase befindet sich auf der Oberseite, also auf der von der Virus-Membran abgewandten Seite eines jeden Monomerkopfes. Dort bildet es eine Einbuchtung, in der mehrere Aminosäuren auf unterschiedliche aber hochspezifische Weise mit den einzelnen funktionellen Gruppen der Sialinsäure wechselwirken (hier als 3D-Führung zur Lage des aktiven Zentrums).

Diese Aminosäuren sind in hohem Maße konserviert, d.h. sie sind in allen Neuraminidase-Typen, -Subtypen und -Varianten identisch (zumindest soweit die genauen Strukturen der Neuraminidasen bekannt sind). Die Nummerierung der Aminosäuren im folgenden Text entspricht der für die Neuraminidase von Influenza A/Tokyo/3/67(N2) verwendeten Nummerierung.

Zur first shell zählen die Aminosäuren des aktiven Zentrums, die direkt mit funktionellen Gruppen der Sialinsäure in Wechselwirkung treten. Die second shell enthält Aminosäuren, die durch ihre Wechselwirkungen mit den Aminosäuren der first shell die dreidimensionale Struktur des aktiven Zentrums stabilisieren. Auch diese sind wie die Aminosäuren der first shell hochgradig konserviert (invariant). Die Einzelheiten der Wechselwirkungen zwischen der Sialinsäure und der first shell sowie zwischen der first and second shell sind hier in Tabellen zusammengefasst. Im Anschluss werden die genannten Wechselwirkungen im Text näher erläutert.

Abb.2
Sialinsäure: Struktur und Nummerierung
Abb.3
Sialinsäure: (stabile) Sessel-Konformation
Abb.4
Sialinsäure: α-Boot-Konformation

Die Sialinsäure nimmt im gebundenen Zustand im aktiven Zentrum eine α-Boot-Konformation ein. In dieser Konformation steht die OH-Gruppe an C2 in axialer Position und weist vom aktiven Zentrum weg nach außen. Dieses ist auch erforderlich, da die OH-2-Gruppe im natürlichen Substrat der Neuraminidase die Verknüpfungsstelle zum Glycoprotein bildet. Alle übrigen Substituenten befinden sich in äquatorialen Positionen und sind auf Seitentaschen des aktiven Zentrums hin ausgerichtet. Die im Vergleich zur Sessel-Konformation energetisch ungünstigere Boot-Konformation wird durch die vielfältigen Wechselwirkungen mit dem aktiven Zentrum stabilisiert und spielt eine wichtige Rolle für die Kinetik der enzymatischen Abspaltung der Sialinsäure vom Glycoprotein.

Die Carboxylat-Gruppe der Sialinsäure bildet eine Ionenpaarbindung (Salzbrücke) mit insgesamt fünf Wasserstoff-Brückenbindungen (im folgenden "H-Brücken") zu den drei Arginin-Resten Arg 292, Arg 371 und Arg 118 aus. Die H-Brücke zwischen OH-2 und Asp 151 ist beim natürlichen Substrat natürlich nicht vorhanden, weil bei diesem der Platz des Wasserstoff-Atoms durch das Glycoprotein eingenommen wird. OH-4 ist über zwei H-Brücken an Asp 151 und Glu 119 gebunden. Die Acetamidogruppe weist in eine hydrophile Seitentasche, die von den Aminosäuren Ile 222 und Trp 178 ausgekleidet wird. Das Carbonyl-Sauerstoff-Atom bildet außerdem eine H-Brücke zu Arg 152 und das Amid-Proton zeigt in Richtung des Bodens der Bindetasche. Dort ist es über eine H-Brücke mit einem Wasser-Molekül verknüpft, das ebenfalls über eine H-Brücke an Glu 227 gebunden ist. Die beiden Hydroxy-Gruppen OH-8 und OH-9 werden schließlich durch H-Brücken zu Glu 276 fixiert. Die hier beschriebenen Wechselwirkungen sind in der untenstehenden Abbildung zum besseren Verständnis nochmal dargestellt.

Wenn Sie einen dreidimensionalen Eindruck von den beschriebenen Strukturen und Wechselwirkungen im aktiven Zentrum der Influenza-Neuraminidase bekommen möchten, besuchen Sie unsere 3D-Führung zur Struktur und Wechselwirkungen im aktiven Zentrum.

Abb.5
Wechselwirkungen zwischen Sialinsäure und dem aktiven Zentrum der Neuraminidase

Schematische Darstellung der Wechselwirkungen der Sialinsäure (schwarz) mit den Aminosäuren des aktiven Zentrums (grün) und der second shell (blau). Wasserstoff-Brückenbindungen sind mit gestrichelten roten Linien und hydrophobe Wechselwirkungen mit durchgezogenen magentafarbenen Linien dargestellt.

Übung: Influenza - NA-Aktives Zentrum

Literatur

Varghese, J. N.; Colman, P. M. (1991): Three-dimensional Structure of the Neuraminidase of Influenza Virus A/Tokyo/3/67 at 2.2 Å Resolution. In: J. Mol. Biol.. 221 , 473-486
Varghese, J. N.; McKimm-Breschkin, J. L.; Caldwell, J. B.; Kortt, A. A.; Colman, P. M. (1992): The Structure of the Complex Between Influenza Virus Neuraminidase and Sialic Acid, the Viral Receptor. In: Proteins. 14 , 327-332
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