Interaction of albumin with angiotensin-I-converting enzyme according to molecular modeling data

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Human serum albumin (HSA) is an endogenous inhibitor of angiotensin-I-converting enzyme (ACE), an integral membrane protein that catalyzes the cleavage of angiotensin I decapeptide to angiotensin II octapeptide. By inhibiting ACE, HSA plays a key role in the renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS). However, little is known about the mechanism of interaction between these proteins; the structure of the HSA–ACE complex has not yet been obtained experimentally. The purpose of the present work is to investigate the interaction of HSA with ACE in silico. Ten possible HSA–ACE complexes were obtained by the procedure of macromolecular docking. Based on the number of steric and polar contacts between the proteins, the leading complex was selected, the stability of which was then tested by molecular dynamics (MD) simulation. An analysis of the possible effect of modifications in the albumin molecule on its interaction with ACE was performed. A comparative analysis of the structure of the HSA–ACE complex obtained by us, was performed with the known crystal structure of the HSA complex with neonatal Fc receptor (FcRn). The molecular modeling data outline the direction for further study of the mechanisms of HSA–ACE interaction in vitro. Information about these mechanisms will help in the design and improvement of pharmacotherapy aimed at modulating the physiological activity of ACE.

Full Text

Restricted Access

About the authors

D. A. Belinskaia

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ngoncharov@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

N. V. Goncharov

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ngoncharov@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

References

  1. Whelton P.K., Carey R.M., Aronow W.S., Casey D.E. Jr., Collins K.J., Dennison Himmelfarb C., DePalma S.M., Gidding S., Jamerson K.A., Jones D.W., MacLaughlin E.J., Muntner P., Ovbiagele B., Smith S.C. Jr., Spencer C.C., Stafford R.S., Taler S.J., Thomas R.J., Williams K.A. Sr., Williamson J.D., Wright J.T. Jr. 2018. 2017 ACC/AHA/AAPA/ABC/ACPM/AGS/APhA/ASH/ASPC/NMA/PCNA Guideline for the prevention, detection, evaluation, and management of high blood pressure in adults: A report of the American college of cardiology/American heart association task force on clinical practice guidelines. J. Am. Coll. Cardiol. 71 (19), e127–e248. doi: 10.1016/j.jacc.2017.11.006
  2. Howard G., Downward G., Bowie D. 2001. Human serum albumin induced hypotension in the postoperative phase of cardiac surgery. Anaesth. Intensive Care 29 (6), 591–594. doi: 10.1177/0310057X0102900604
  3. Oda E. 2014. Decreased serum albumin predicts hypertension in a Japanese health screening population. Intern. Med. 53 (7), 655–660. doi: 10.2169/internalmedicine.53.1894
  4. Klauser R.J., Robinson C.J., Marinkovic D.V., Erdös E.G. 1979. Inhibition of human peptidyl dipeptidase (angiotensin I converting enzyme: kininase II) by human serum albumin and its fragments. Hypertension 1 (3), 281–286. doi: 10.1161/01.hyp.1.3.281
  5. Fagyas M., Úri K., Siket I.M., Fülöp G.Á., Csató V., Daragó A., Boczán J., Bányai E., Szentkirályi I.E., Maros T.M., Szerafin T., Édes I., Papp Z., Tóth A. 2014. New perspectives in the renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS) II: Albumin suppresses angiotensin converting enzyme (ACE) activity in human. PLoS One 9 (4), e87844. doi: 10.1371/journal.pone.0087844
  6. Danilov S.M., Jain M.S., Petukhov P.A, Kurilova O.V., Ilinsky V.V., Trakhtman P.E., Dadali E.L., Samokhodskaya L.M., Kamalov A.A., Kost O.A. 2023. Blood ACE phenotyping for personalized medicine: Revelation of patients with conformationally altered ACE. Biomedicines 11 (2), 534. doi: 10.3390/biomedicines11020534
  7. Kozuch A.J., Petukhov P.A., Fagyas M., Popova I.A., Lindeblad M.O., Bobkov A.P., Kamalov A.A., Toth A., Dudek S.M., Danilov S.M. 2023. Urinary ACE phenotyping as a research and diagnostic tool: Identification of sex-dependent ACE immunoreactivity. Biomedicines 11 (3), 953. doi: 10.3390/biomedicines11030953
  8. Danilov S.M., Adzhubei I.A., Kozuch A.J., Petukhov P.A., Popova I.A., Choudhury A., Sengupta D., Dudek S.M. 2024. Carriers of heterozygous loss-of-function ACE mutations are at risk for Alzheimer's disease. Biomedicines 12 (1), 162. doi: 10.3390/biomedicines12010162
  9. Enyedi E.E., Petukhov P.A., Kozuch A.J., Dudek S.M., Toth A., Fagyas M., Danilov S.M. 2024. ACE phenotyping in human blood and tissues: Revelation of ACE outliers and sex differences in ACE sialylation. Biomedicines 1 (5), 940. doi: 10.3390/biomedicines12050940
  10. Kragh-Hansen U. 1990. Structure and ligand binding properties of human serum albumin. Dan. Med. Bull. 37 (1), 57–84.
  11. Kragh-Hansen U., Brennan S.O., Minchiotti L., Galliano M. 1994. Modified high-affinity binding of Ni2+, Ca2+ and Zn2+ to natural mutants of human serum albumin and proalbumin. Biochem. J. 301 (Pt 1), 217–223. doi: 10.1042/bj3010217
  12. Kragh-Hansen U., Saito S., Nishi K., Anraku M., Otagiri M. 2005. Effect of genetic variation on the thermal stability of human serum albumin. Biochim. Biophys. Acta. 1747 (1), 81–88. doi: 10.1016/j.bbapap.2004.09.025
  13. Kragh-Hansen U., Minchiotti L., Galliano M., Peters T. Jr. 2013. Human serum albumin isoforms: Genetic and molecular aspects and functional consequences. Biochim. Biophys. Acta. 1830 (12), 5405–5417. doi: 10.1016/j.bbagen.2013.03.026
  14. Caridi G., Lugani F., Angeletti A., Campagnoli M., Galliano M., Minchiotti L. 2022. Variations in the human serum albumin gene: Molecular and functional dspects. Int. J. Mol. Sci. 23 (3), 1159. doi: 10.3390/ijms23031159
  15. Hein K.L., Kragh-Hansen U., Morth J.P., Jeppesen M.D., Otzen D., Møller J.V., Nissen P. 2010. Crystallographic analysis reveals a unique lidocaine binding site on human serum albumin. J. Struct. Biol. 171 (3), 353–360. doi: 10.1016/j.jsb.2010.03.014
  16. Lubbe L., Sewell B.T., Woodward J.D., Sturrock E.D. 2022. Cryo-EM reveals mechanisms of angiotensin I-converting enzyme allostery and dimerization. EMBO J. 41 (16), e110550. doi: 10.15252/embj.2021110550
  17. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. 1996. VMD: Visual molecular dynamics. J. Mol. Graph. 14 (1), 33–38. doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5
  18. Singh A., Copeland M.M., Kundrotas P.J., Vakser I.A. 2024. GRAMM Web server for protein docking. Methods Mol. Biol. 2714, 101–112. doi: 10.1007/978-1-0716-3441-7_5
  19. Abraham M.J., Murtola T., Schulz R., Páll S., Smith J.C., Hess B., Lindahl E. 2015. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX 1–2, 19–25. doi: 10.1016/j.softx.2015.06.001
  20. Foloppe N., MacKerell A.D. Jr. 2000. All-atom empirical force field for nucleic acids: I. Parameter optimization based on small molecule and condensed phase macromolecular target data. J. Comput. Chem. 21, 86–104. doi: 10.1002/(SICI)1096-987X(20000130)21:2%3C86::AID-JCC2%3E3.0.CO,2-G
  21. Jorgensen W.L. 1981. Quantum and statistical mechanical studies of liquids. 10. Transferable intermolecular potential functions for water, alcohols, and ethers. Application to liquid water. J. Am. Chem. Soc. 103, 335–340.
  22. Bussi G., Zykova-Timan T., Parrinello M. 2009. Isothermal-isobaric molecular dynamics using stochastic velocity rescaling. J. Chem. Phys. 130 (7), 074101. doi: 10.1063/1.3073889
  23. Parrinello M., Rahman A. 1980. Crystal structure and pair potentials: A molecular-dynamics study. Phys. Rev. Lett. 45, 1196–1199. doi: 10.1103/PhysRevLett.45.1196
  24. Darden T., York D., Pedersen L. 1993. Particle mesh Ewald: An N∙log(N) method for Ewald sums in large systems. J. Chem. Phys. 3, 10089–10092. doi: 10.1063/1.464397
  25. Hess B., Bekker H., Berendsen H.J.C., Fraaije J.G.E.M. 1997. LINCS: A linear constraint solver for molecular simulations. J. Comp. Chem. 18, 1463–1473. doi: 10.1002/(SICI)1096-987X(199709)18:12%3C1463::AID-JCC4%3E3.0.CO;2-H
  26. He X.M., Carter D.C. 1992. Atomic structure and chemistry of human serum albumin. Nature 358, 209–215. doi: 10.1038/358209a0
  27. Fasano M., Curry S., Terreno E., Galliano M., Fanali G., Narciso P., Notari S., Ascenzi P. 2005. The extraordinary ligand binding properties of human serum albumin. IUBMB Life. 57, 787–796. doi: 10.1080/15216540500404093
  28. Sudlow G., Birkett D.J., Wade D.N. 1976. Further characterization of specific drug binding sites on human serum albumin. Mol. Pharmacol. 12 (6), 1052–1061.
  29. Belinskaia D.A., Voronina P.A., Vovk M.A., Shmurak V.I., Batalova A.A., Jenkins R.O., Goncharov N.V. 2021. Esterase activity of serum albumin studied by 1H NMR spectroscopy and molecular modelling. Int. J. Mol. Sci. 22 (19), 10593. doi: 10.3390/ijms221910593
  30. Nakashima F., Shibata T., Kamiya K., Yoshitake J., Kikuchi R., Matsushita T., Ishii I., Giménez-Bastida J.A., Schneider C., Uchida K. 2018. Structural and functional insights into S-thiolation of human serum albumins. Sci. Rep. 8 (1), 932. doi: 10.1038/s41598-018-19610-9
  31. Qiu H.Y., Hou N.N., Shi J.F., Liu Y.P., Kan C.X., Han F., Sun X.D. 2021. Comprehensive overview of human serum albumin glycation in diabetes mellitus. World J. Diabetes. 12, 1057–1069. doi: 10.4239/wjd.v12.i7.1057
  32. Wei L., Alhenc-Gelas F., Corvol P., Clauser E. 1991. The two homologous domains of human angiotensin I-converting enzyme are both catalytically active. J. Biol. Chem. 266 (14), 9002–9008.
  33. Wei L., Clauser E., Alhenc-Gelas F., Corvol P. 1992. The two homologous domains of human angiotensin I-converting enzyme interact differently with competitive inhibitors. J. Biol. Chem. 267 (19), 13398–13405.
  34. Jaspard E., Wei L., Alhenc-Gelas F. 1993. Differences in the properties and enzymatic specificities of the two active sites of angiotensin I-converting enzyme (kininase II). Studies with bradykinin and other natural peptides. J. Biol. Chem. 268 (13), 9496–9503.
  35. Кугаевская Е.В. 2005. Ангиотензин-превращающий фермент. Доменная структура и свойства. Биомед. хим. 51 (6), 567–580.
  36. Cozier G.E., Lubbe L., Sturrock E.D., Acharya K.R. 2020. ACE-domain selectivity extends beyond direct interacting residues at the active site. Biochem. J. 477 (7), 1241–1259. doi: 10.1042/BCJ20200060
  37. Tan K.P., Singh K., Hazra A., Madhusudhan M.S. 2020. Peptide bond planarity constrains hydrogen bond geometry and influences secondary structure conformations. Curr. Res. Struct. Biol. 3, 1–8. doi: 10.1016/j.crstbi.2020.11.002
  38. Li S., Chesnutt D.B. 1985. Intramolecular van der Waals interactions and chemical shifts: A model for β- and γ-effects. Magn. Reson. Chem. 23, 625–638.
  39. Belinskaia D.A., Voronina P.A., Shmurak V.I., Jenkins R.O., Goncharov N.V. 2021. Serum albumin in health and disease: Esterase, antioxidant, transporting and signaling properties. Int. J. Mol. Sci. 22 (19), 10318. doi: 10.3390/ijms221910318
  40. Stewart A.J., Blindauer C.A., Berezenko S., Sleep D., Tooth D., Sadler P.J. 2005. Role of Tyr84 in controlling the reactivity of Cys34 of human albumin. FEBS J. 272 (2), 353–362. doi: 10.1111/j.1742-4658.2004.04474.x
  41. Leblanc Y., Berger M., Seifert A., Bihoreau N., Chevreux G. 2019. Human serum albumin presents isoform variants with altered neonatal Fc receptor interactions. Protein Sci. 28 (11), 1982–1992. doi: 10.1002/pro.3733
  42. Wagner M.C., Myslinski J., Pratap S., Flores B., Rhodes G., Campos-Bilderback S.B., Sandoval R.M., Kumar S., Patel M., Ashish, Molitoris B.A. 2016. Mechanism of increased clearance of glycated albumin by proximal tubule cells. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 310 (10), F1089–1102. doi: 10.1152/ajprenal.00605.2015
  43. Oganesyan V., Damschroder M.M., Cook K.E., Li Q., Gao C., Wu H., Dall'Acqua W.F. 2014. Structural insights into neonatal Fc receptor-based recycling mechanisms. J. Biol. Chem. 289 (11), 7812–7824. doi: 10.1074/jbc.M113.537563
  44. Sand K.M., Bern M., Nilsen J., Dalhus B., Gunnarsen K.S., Cameron J., Grevys A., Bunting K., Sandlie I., Andersen J.T. 2014. Interaction with both domain I and III of albumin is required for optimal pH-dependent binding to the neonatal Fc receptor (FcRn). J. Biol. Chem. 289 (50), 34583–34594. doi: 10.1074/jbc.M114.587675
  45. Ascenzi P., Bocedi A., Notari S., Fanali G., Fesce R., Fasano M. 2006. Allosteric modulation of drug binding to human serum albumin. Mini Rev. Med. Chem. 6, 483–489. doi: 10.2174/138955706776361448
  46. Ascenzi P., Fasano M. 2010. Allostery in a monomeric protein: The case of human serum albumin. Biophys. Chem. 48, 16–22. doi: 10.1016/j.bpc.2010.03.001

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Structural organization of human serum albumin (HSA). The DI, DII, and DIII domains of HSA are represented by the orange, purple, and yellow ribbons, respectively. The spheres represent the key amino acids of HSA: the redox site Cys34, the major glycation site Lys525, as well as Tyr150 of the Sudlow I site and Tyr411 of the Sudlow II site, which play a key role in the binding and (pseudo)esterase activities of albumin.

Download (145KB)
3. Fig. 2. Structural organization of angiotensin I-converting enzyme (ACE). The ACE molecule is represented by a gray ribbon. The glycosylation sites of ACE are shown as green sticks. The symbol * marks asparagine residues that can potentially be glycosylated in native human ACE but are not glycosylated in recombinant ACE (PDB code 7Q3Y [16]). The active sites of ACE (His361, Glu362, His365, Glu389 in the N-domain and His959, Glu960, His963, Glu987 in the C-domain) are shown as spheres.

Download (138KB)
4. Fig. 3. The most probable conformation of the HSA–ACE complex based on macromolecular docking data. The DI, DII, and DIII domains of HSA are shown as orange, purple, and yellow ribbons, respectively. The ACE molecule is shown as a gray ribbon. The glycosylation sites of ACE are shown as green sticks. The * symbol marks asparagine residues that can potentially be glycosylated in native human ACE but are not glycosylated in recombinant ACE (PDB code 7Q3Y [16]). The key amino acids of HSA and the active sites of ACE (His361, Glu362, His365, Glu389 in the N-domain and His959, Glu960, His963, Glu987 in the C-domain) are shown as spheres.

Download (195KB)
5. Fig. 4. Specific interactions in the HSA–ACE complex that can be potentially affected by mutations in the albumin molecule: Asp13Asn (a), Glu505Lys (b), and Glu565Lys (c). The DI and DIII domains of HSA are represented by the orange and yellow ribbons, respectively. The ACE molecule is represented by the gray ribbon.

Download (149KB)
6. Fig. 5. Topology of the sites of interaction of HSA with macromolecules. The albumin surface is shown in gray, the surfaces of the sites are shown as colored spheres. a – The site of interaction (purple) of native HSA with ACE according to MD data; b – The site of interaction (orange) of native HSA with the FcRn receptor according to X-ray diffraction data [43].

Download (129KB)

Copyright (c) 2025 The 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».