Structural and functional features of protein-polysaccharide complexes based on cysteine proteases and hydrophilicly modified chitosan

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In this work, complexes of cysteine proteases, namely bromelain, papain and ficin, with a graft copolymer of chitosan and poly(N,N-dimethyl amino ethyl methacrylate) were obtained. It was determined that the enzyme catalytic activity in the complexes is reduced compared to their native forms. The results of molecular docking showed that modified polysaccharide located in the catalytic pocket of cysteine proteases globules. The resulting complexes have increased stability when stored under physiological conditions, which makes them promising candidates for use in the development of treatments for wounds.

Full Text

Restricted Access

About the authors

M. S. Lavlinskaya

Voronezh State University

Email: holyavka@rambler.ru
Russian Federation, Universitetskaya Ploshchad 1, Voronezh, 394018

A. V. Sorokin

Voronezh State University

Email: holyavka@rambler.ru
Russian Federation, Universitetskaya Ploshchad 1, Voronezh, 394018

S. S. Goncharova

Voronezh State University

Email: holyavka@rambler.ru
Russian Federation, Universitetskaya Ploshchad 1, Voronezh, 394018

M. G. Holyavka

Voronezh State University; Sevastopol State University

Author for correspondence.
Email: holyavka@rambler.ru
Russian Federation, Universitetskaya Ploshchad 1, Voronezh, 394018; Universitetskaya ul. 33, Sevastopol, 299053

M. S. Kondratyev

Voronezh State University; Institute of Cell Biophysics of the RAS

Email: holyavka@rambler.ru
Russian Federation, Universitetskaya Ploshchad 1, Voronezh, 394018; Institutskaya ul. 3, Pushchino, 142290

V. G. Artyukhov

Voronezh State University

Email: holyavka@rambler.ru
Russian Federation, Universitetskaya Ploshchad 1, Voronezh, 394018

References

  1. Sharaf A., Muthayya P. // Burns. 2022. V. 48. P. 1618– 1625. https://doi.org/10.1016/j.burns.2021.12.004
  2. Wen J., Johnson K., O’Boyle C. // Burns. 2022. V. 48. P. 1706–1709. https://doi.org/10.1016/j.burns.2022.02.008
  3. Kusumasari C., Abdou A., Nakajima M., Tagami J. // J. Dent. 2021. V. 109. P. 103665. https://doi.org/10.1016/j.jdent.2021.103665
  4. Maashi M.S., Elkhodary H.M., Alamoudi N.M., Bamashmous N.O. // Saudi Dent. J. 2023. V. 35. P. 233–243. https://doi.org/10.1016/j.sdentj.2023.01.010
  5. Baidamshina D.R., Koroleva V.A., Trizina E. Yu., Pankova S.M., Agafonova M.N., Chirkova M.N., Vasileva O.S., Akhmetov N., Shubina V.V., Porfiryev A.G., Semenova E.V., Sachenkov O.A., Bogachev M.I., Artyukhov V.G., Baltina T.V., Holyavka M.G., Kayumov A.R. // Int. J. Biol. Macromol. 2020. V. 164. P. 4205–4217. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.09.030
  6. Holyavka M.G., Goncharova S.S., Sorokin A.V., Lavlinskaya M.S., Redko Y.A., Faizullin D.A., Baidamshina D.R., Zuev Y.F., Kondratyev M.S., Kayumov A.R., Artyukhov V.G. // Polymers. 2022. V. 14. P. 5110. https://doi.org/10.3390/polym14235110
  7. dos Anjos M.M., da Silva A.A., de Pascoli I.C., Graton Mikcha J.M., Machinski M., Peralta R.M., de Abreu Filho B.A. // Int. J. Food Microbiol. 2016. V. 216. P. 121–126. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2015.10.007
  8. Hasannasab M., Nourmohammadi J., Dehghan M.M., Ghaee A. // Int. J. Pharm. 2021. V. 610. P. 121227. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2021.121227
  9. Fernandez-Lucas J., Castaneda D., Hormigo D. // Trends Food Sci. Technol. 2017. V. 68. P. 91–101. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2017.08.017
  10. Liu H., Wang C., Zou S., Wei Z., Tong Z. // Langmuir. 2012. V. 28. P. 11017–11024. https://doi.org/10.1021/la3021113
  11. Bhattacharya A., Misra B.N. // Progress Polym. Sci. 2004. V. 2009. P. 767–814. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2004.05.00
  12. Messina M., Bhattacharya A., Montgomery H., Maynard H. // Progress Polym. Sci. 2020. V. 100. P. 10186. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2019.101186
  13. Sorokin A.V., Kuznetsov V.A., Lavlinskaya M.S. // Polymer Bulletin. 2021. V. 78. P. 2975–2992. https://doi.org/10.1007/s00289-020-03250-z
  14. Kuznetsov V.A., Sorokin A.V., Lavlinskaya M.S., Sinelnikov A.A., Bykovskiy D.V. // Polymer Bulletin. 2019. V. 76. P. 4929–4949. https://doi.org/10.1007/s00289-018-2635-0
  15. Shatalov G.V., Lavlinskaya M.S., Pakhomova O.A., Mokshina N.Ya., Kuznetsov V.A. // Russ. J. Appl. Chem. 2016. V. 89. P. 140–146. https://doi.org/10.1134/S1070427216010225
  16. Kuznetsov V.A., Lavlinskaya M.S., Ostankova I.V., Shatalov G.V., Shikhaliev Kh.S., Ryzhkova E.A. // Polymer Bulletin. 2018. V. 75. P. 1237–1251. https://doi.org/10.1007/s00289-017-2091-2
  17. Beveridge A.J. // Protein Sci. 1996. V. 5. P. 1355–1365. https://doi.org/10.1002/pro.5560050714
  18. Handbook of Proteolytic Enzymes. 3rd Edn. / Eds. Rawlings N.D., Salvesen G. New York: Acad. Press, 2013. 3932 p.
  19. Sorokin A.V., Olshannikova S.S., Lavlinskaya M.S., Holyavka M.G., Faizullin, D.A., Zuev Y.F., Artukhov V.G. // Polymers. 2022. V. 14. P. 2279. https://doi.org/10.3390/polym14112279
  20. Lowry О.H., Rosebrough N.J., Faar A.L., Randall R.J. // J. Biol. Chem. 1951. V. 193. P. 265–275.
  21. Sorokin A.V., Goncharova S.S., Lavlinskaya M.S., Holyavka M.G., Faizullin, D.A., Zuev Y.F., Kondratyev M.S., Artyukhov V.G. // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. P. 11246. https://doi.org/10.3390/ijms241411246
  22. Sorokin A.V., Goncharova S.S., Lavlinskaya M.S., Holyavka M.G., Faizullin D.A., Kondratyev M.S., Kannykin S.V., Zuev Y.F. Artyukhov V.G. // Polymers. 2023. V. 15. P. 649. https://doi.org/10.3390/polym15030649
  23. Sabirova A.R., Rudakova N.L., Balaban N.P., Ilyinskaya O.N., Demidyuk I.V., Kostrov S.V., Rudenskaya G.N., Sharipova M.R. // FEBS Lett. 2010. V. 584. P. 4419–4425. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2010.09.049
  24. Абдуллатыпов А.В., Кондратьев М.С., Холявка М.Г., Артюхов В.Г. // Биофизика. 2016. Т. 61. № 4. С. 669– 676.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Scheme 1. The process of formation of the target product – a graft copolymer of chitosan and poly-N,N-dimethylaminoethyl methacrylate.

Download (107KB)
Indexing metadata
3. Fig. 1. Protein content (mg/g carrier) in complexes of bromelain, papain and ficin with grafted copolymer of chitosan and poly-N,N-dimethylaminoethyl methacrylate. The yield of complex formation for protein is indicated, expressed as a percentage of the sorbed enzyme from its amount in the solution during the interaction, taken as 100%.

Download (47KB)
Indexing metadata
4. Fig. 2. Total catalytic activity (units/ml of solution) of bromelain, papain and ficin complexes with a grafted copolymer of chitosan and poly-N,N-dimethylaminoethyl methacrylate. The efficiency of enzyme complexation (by total catalytic activity) is also indicated, expressed as a percentage of the retention of the proteolytic activity of the enzyme after immobilization in relation to the enzyme activity in solution, taken as 100%.

Download (52KB)
Indexing metadata
5. Fig. 3. Topology of the complexes of bromelain (a), papain (b), and ficin (c) with a grafted copolymer of chitosan and poly-N,N-dimethylaminoethyl methacrylate calculated by the flexible molecular docking method. A fragment of the grafted copolymer of chitosan and poly-N,N-dimethylaminoethyl methacrylate molecule is shown in pink. The α-helical fragments of the enzyme molecule, which are predominantly part of the L-domain, are shown in turquoise. The β-pleated regions, which predominate in the R-domain, are shown in red. A depression (catalytic pocket) containing the active center of the enzyme is formed at the junction of the L- and R-domains.

Download (201KB)
Indexing metadata
6. Fig. 4. Bonds and interactions between bromelain (a), papain (b), and ficin (c) and the graft copolymer of chitosan and poly-N,N-dimethylaminoethyl methacrylate (dashed lines indicate hydrogen bonds, bond lengths are given in angstroms). Catalytically significant residues are shown in bold.

Download (304KB)
Indexing metadata
7. Fig. 5. Residual catalytic activity of enzymes after incubation of samples at 37°C: in units/ml of solution (a) and as a percentage of the initial level (b). The legend for both diagrams is given in Fig. 5a.

Download (236KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».