Антимикробные пептиды (АМП) - важные компоненты иммунных систем млекопитающих, холоднокровных рептилий, насекомых и растений.

В данной работе для изучения структуры, конформационной динамики и мембранотропных свойств ряда катионных, цистеинсодержащих АМП применен комплекс спектроскопических методов (ЯМР, ИК, КД, УФ) и компьютерного моделирования (молекулярный докинг и крупнозернистая молекулярная динамика (CGMD)). В докладе приводятся сведения о структуре нескольких АМП, полученные комплексом спектроскопических методов и механизмах их действия на модельные мембранные структуры, оцененных с помощью вычислительных методов. В некоторых случаях мы попытались дополнить общую картину данными по функциональной активности АМП. В совокупности наши данные дают представление о структуре, динамике и механизмах действия АМП на структуру мембран [1-5].

Механизм действия АМП – сложный многоступенчатый процесс, одной из основных стадий является взаимодействие АМП с клеточными мембранами. Методом молекулярной динамики показано, что АМП образуют поры в исследованных модельных мембранах или локализуются на поверхности мембран по принципу “ковровой” модели, образуя устойчивые комплексы с мембранами различного состава. Связывание АМП на поверхности мембраны приводит к изменению распределения липидов в мембране и изменению электростатического потенциала мембраны. Деформация электростатического потенциала мембраны может быть причиной образования дефектов в структуре мембраны, способствовать встраиванию АМП в ее структуру и служить причиной гибели клетки.

Конструирование модельных пептидов на основе природных АМП – перспективное направление как в исследовании механизмов действия АМП, так и разработке новых лекарственных средств. Например, в качестве модельного аналога АМП на основе аминокислотной последовательности защитного белка – дефензина сосны PsDef1 был построен катионный β-пептид с последовательностью RMCKTPCGKFYCYKPCP и изучено его взаимодействие с многокомпонентными мембранами. Методом CGMD показано, что, в отличие от самого дефензина, модельный пептид может встраиваться в мембрану и образовывать в ней стабильные поры. Наблюдаемые поры не имеют центрального водного канала, а молекулы воды проникают через мембрану через узкие щели между пептидами или между пептидами и заряженными головными группами анионных липидов. Показано, что олигомеризация пептидов является необходимым условием для образования и стабилизации пор.

В качестве другого примера использован катионный пептид мегин, полученный из кожного секрета австралийских амфибий. Трехмерную структуру двух форм данного пептида определяли с помощью ЯМР-спектроскопии в растворе и уточняли методами оптической спектроскопии. Получены термодинамические характеристики процесса превращения пептида из линейной в циклическую форму. Проанализированы антибактериальные и антимикотические свойства пептида, его ингибирующая активность в отношении сериновых протеаз.



References:

1. E. Ermakova, Yu. Zuev // Interaction of Scots Pine Defensin with Model Mem-brane by Coarse Grained Molecular Dynamics // Journal of Membrane Biology, 2017. V. 250. P. 205-216. DOI 10.1007/s00232-017-9950-5.

2. 198. B.I. Khairutdinov, E.A. Ermakova, Yu.M. Yusypovych; E. Bessolicina; N.B Tarasova, Ya.Yu. Toporkova, V. Kovaleva, Yu.F. Zuev, I. Nesmelova // NMR Structure, Conformational Dynamics, and Biological Activity of PsDef1 Defen-sin from Pinus Sylvestris // BBA. Proteins and Proteomics, 2017. V.1865, N8, P. 1085-1094. DOI: 10.1016/j.bbapap.2017.05.0 12.

3. Ermakova E., Kurbanov R., Zuev Yu. Coarse-grained molecular dynamics of membrane semitoroidal pore formation in model lipid-peptide systems // Journal of Molecular Graphics and Modelling. 2019. V. 87. P. 1-10. doi:10.1016/j.jmgm.2018.11.003.

4. P. Skvortsova, Yu. Valiullina, N. Baranova, D. Faizullin, Yu. Zuev, E. Ermakova // Spectroscopic study of antimicrobial peptides: Structure and functional activity // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2022, V. 264, 120273. https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.120273.

5. Skvortsova P., Shurpik D., Stoikov I., Khairutdinov B., Zuev Y., Ermakova E. Structure and membranotropic properties of peptides and synthetic macrocycles // Magnetic resonance and its applications Proceedings. – 2022. – P. 244-246.

Antimicrobial peptides (AMPs) are important components of immune systems of mammals, cold-blooded reptiles, insects and plants.

In this work, a complex of spectroscopic methods (NMR, IR, CD, UV) and computer simulation (molecular docking and coarse-grained molecular dynamics (CGMD)) were used to study structure, conformational dynamics and membranotropic properties of a number of cationic, cysteine-containing AMPs. The report provides information on the structure of several AMPs, obtained by a complex of spectroscopic methods and mechanisms of their action on model membrane structures, estimated using computational methods. In some cases, we tried to supplement the overall picture with data on functional activity of AMPs. Taken together, our data give an idea of the structure, dynamics, and mechanisms of action of AMPs on membrane structure [1–5].

The mechanism of FMP action is a complex multistage process, one of the main stages being the interaction of AMPs with cell membranes. Using the molecular dynamics method, it has been shown that AMPs form pores in the studied model membranes or are localized on membrane surface forming stable complexes with membranes of various compositios according to the “carpet” model. The AMP binding on membrane surface leads to a change in distribution of lipids in membrane and to the change in electrostatic potential of membrane. Deformation of membrane electrostatic potential can cause the formation of defects in membrane structure, facilitate incorporation of AMPs into its structure, and cause cell death.

The construction of model peptides based on natural AMPs is a promising direction both in study of mechanisms of AMP action and in development of new drugs. For example, as a model analogue of AMP, a cationic β-peptide with the sequence RMCKTPCGKFYCYKPCP was constructed based on amino acid sequence of defence protein, pine defensin PsDef1, and its interaction with multicomponent membranes was studied. The coarse-grained molecular dynamics (CGMD) simulations have shown that, in contrast to defensin itself, the model peptide can be incorporated into membrane and form stable pores in it. The observed pores do not have a central water channel, and water molecules penetrate membrane through narrow gaps between peptides or between peptides and charged head groups of anionic lipids. It has been shown that peptide oligomerization is a necessary step for formation and stabilization of pores.

As another example, the cationic peptide megin, obtained from the skin secretion of Australian amphibians, was used. The three-dimensional structure of two forms of this peptide was determined using NMR spectroscopy in solution and refined by optical spectroscopy. The thermodynamic characteristics of peptide transformation from a linear to a cyclic form have been obtained. The antibacterial and antimycotic properties of peptide and its inhibitory activity against serine proteases were analyzed.



References:

1. E. Ermakova, Yu. Zuev // Interaction of Scots Pine Defensin with Model Mem-brane by Coarse Grained Molecular Dynamics // Journal of Membrane Biology, 2017. V. 250. P. 205-216. DOI 10.1007/s00232-017-9950-5.

2. 198. B.I. Khairutdinov, E.A. Ermakova, Yu.M. Yusypovych; E. Bessolicina; N.B Tarasova, Ya.Yu. Toporkova, V. Kovaleva, Yu.F. Zuev, I. Nesmelova // NMR Structure, Conformational Dynamics, and Biological Activity of PsDef1 Defen-sin from Pinus Sylvestris // BBA. Proteins and Proteomics, 2017. V.1865, N8, P. 1085-1094. DOI: 10.1016/j.bbapap.2017.05.0 12.

3. Ermakova E., Kurbanov R., Zuev Yu. Coarse-grained molecular dynamics of membrane semitoroidal pore formation in model lipid-peptide systems // Journal of Molecular Graphics and Modelling. 2019. V. 87. P. 1-10. doi:10.1016/j.jmgm.2018.11.003.

4. P. Skvortsova, Yu. Valiullina, N. Baranova, D. Faizullin, Yu. Zuev, E. Ermakova // Spectroscopic study of antimicrobial peptides: Structure and functional activity // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2022, V. 264, 120273. https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.120273.

5. Skvortsova P., Shurpik D., Stoikov I., Khairutdinov B., Zuev Y., Ermakova E. Structure and membranotropic properties of peptides and synthetic macrocycles // Magnetic resonance and its applications Proceedings. – 2022. – P. 244-246.