Ruđerovac otkriva pozadinu magije arginina

Kemičar s Instituta Ruđer Bošković (IRB) dr. sc. Mario Vazdar, u suradnji s kolegama s Instituta za organsku kemiju i biokemiju u Pragu (Češka), Sveučilištem Lund (Švedska) i Znanstvenog centra Fritz Haber u Jeruzaemu (Izrael), objavio je znanstveni rad s osvrtom na višegodišnje istraživanje privlačnih interakcija između pozitivno nabijenih aminokiselina u vodi i na biološkim membranama.

Rezultati istraživanja ovih svojstava mogu doprinijeti razvoju novih pametnih strategija ciljanog transporta različitih tvari u stanicu s primjenom u medicini i farmaciji. Važnost rada potvrđuje i njegova objava u prestižnom časopisu Američkog kemijskog društva Accounts of Chemical Research.

Ljudsko tijelo sastoji se od oko 70 posto vode. Čak 90 posto krvi i 85 posto mozga je voda, a i kosti sadrže 30% vode. Voda je glavni pokretač izmjene tvari u organizmu koja se obavlja kolanjem krvi od srca do pluća i bubrega. Ukupni volumen svih tekućina koje ispunjavaju ljudsko tijelo jest 40 litara, od čega 25 litara iznosi ukupni volumen staničnih tekućina, dok 15 posto otpada na izvanstanične tekućine. Tekućine u našem tijelu različitog su ionskog sastava, a ta razlika u ionskom sastavu omogućava podražljivost stanice i transport tvari i vode kroz staničnu membranu.

Tvari se u stanicu i iz stanice propuštaju prema principima aktivnog prijenosa te pasivnog transporta poput osmoze i difuzije. Kod aktivnog prijenosa, tvari se kreću s područja niže koncentracije kroz lipidni dvosloj u područje više koncentracije uz utrošak stanične energije. Aktivan prijenos tvari se odvija kroz specijalizirane proteinske ionske kanale te uz pomoć endocitoze. S druge strane, pasivni transport kroz staničnu membranu se odvija bez dodatnog utroška energije stanice te je važan jer je to jedan od mogućih načina ciljanog transporta različitih tvari u stanicu, poput pametnih lijekova.

''Općepoznata je činjenica da se ioni istog predznaka međusobno odbijaju. To odbijanje u plinskoj fazi može biti vrlo jako i to do nekoliko stotina kJ/mol. Međutim, u vodi se to odbijanje dramatično smanjuje zato što voda ima veliku sposobnost smanjivanja elektrostatskih sila između dva nabijena tijela, a to znači da u pojedinim slučajevima može obrnuti predznak i pretvoriti se u međusobno privlačenje zbog privlačnih van der Waalsovih interakcija. Najmanji par takvih iona koji se privlače u vodi čine gvanidinijevi kationi.'' – objašnjava dr. sc. Mario Vazdar, prvi autor na radu i voditelj Laboratorija za kemiju u modelnim biološkim sustavima na IRB-u.

U ovom radu znanstvenici su, uz pomoć različitih molekulskih simulacija i različitih spektroskopskih tehnika, prikazali da takvi parovi gvanidinijevih kationa zaista čine termodinamički stabilan sustav. Ostali kationi, poput amonijevih ili natrijevih kationa, ne čine takav stabilan par i odbijaju se kad se nađu jedan blizu drugoga, što je i očekivano ponašanje s obzirom na njihov pozitivni naboj.

Međutim, unatoč samom po sebi fizikalno zanimljivom efektu sparivanja pozitivno nabijenih kationa, sparivanje gvanidinijevih kationa ima znatne biološke utjecaje. Naime, gvanidinijev kationi se nalaze u argininu, jednoj od esencijalnih aminokiselina koja je time i pozitivno nabijena. Usprkos pozitivnom naboju među njima, privlačne interakcije između pozitivno nabijenih peptida i proteina bogatih argininom su pronađene u raznim kristalografskim bazama, te su pokazane i u vodenim otopinama različitim računskim i eksperimentalnim tehnikama.

''Na samom kraju valja istaknuti da sparivanje pozitivno nabijenih gvanidinijevih kationa otkriva i pozadinu 'magije arginina' - odnosno izvanredne sposobnosti peptida bogatih argininom da lako prolaze kroz stanične membrane, za razliku od istovjetno pozitivno nabijenih peptida bogatih lizinom. Štoviše, peptidi bogati argininom se agregiraju na membranama i oslabljuju ih, te potom mogu proći kroz njih jedan za drugim, poput vlaka. Ovo ponašanje peptida bogatih argininom se može iskoristiti za razvoj novih strategija ciljanog transporta različitih tvari u stanicu.'' – zaključuje dr. Vazdar.