Биофизики обнаружили «протонные провода» в клетке
Международная группа ученых из России и Германии открыла механизм работы на атомном уровне важного клеточного белка бактериородопсина. Оказывается, с помощью света белок организует «протонные провода» для создания потенциала на мембране и подзарядки клетки. К открытию ученые шли несколько лет, проверяя и суммируя всю накопленную информацию и разрабатывая собственную уникальную методику исследований.
Бактериородопсин — один из самых изученных белков в современной науке. Он был открыт более 40 лет назад. Этот белок является важным звеном при производстве АТФ, основной энергетической единицы клетки. Для синтеза АТФ на мембране создается электрический потенциал: с одной стороны много протонов водорода, с другой — мало. Бактериородопсин — один из белков, задействованных в этом процессе. Он поглощает свет и использует энергию фотонов для переноса протонов с одной стороны мембраны клетки на другую. Благодаря способности этого белка изменяться при помощи света было разработано множество исследовательских методик. Он лежит в сердце всей оптогенетики, уникальной методики управления нейронами с помощью света, которая сейчас очень активно развивается. К данному моменту сделаны тысячи исследовательских работ о бактериородопсине. Но, несмотря на все это, до сих пор оставалось непонятным, как работает сам белок.
Дело в том, что бактериородопсин — это мембранный белок, и он сложно поддается кристаллизации, основному методу изучения белков. Со временем эта проблема была решена, но ученым никак не удавалось однозначно установить так называемые переходные состояния. Можно сравнить функционирование белка с машиной. Когда он работает, как любая машина, он может находиться в состоянии 1, 2, 3, 4 или 5. При переходе из одного состояния в другое что-то меняется в его структуре. Когда машина едет, движутся какие-то шестеренки, что-то крутится. Можно, снимая кадр за кадром: сначала первый, через секунду — второй, третий, четвертый — проследить за тем, как работает машина. Она катится за счет того, что где-то поршни двигаются, где-то крутятся шестеренки, где-то срабатывают переключатели. Именно по такому принципу ученые пытаются изучить работу белков. Но, поскольку речь идет об атомном уровне, приходится задействовать процедуры, технически сложно реализуемые. Многие научные группы работали в этом направлении с бактериородопсином, но у всех были свои проблемы: качества данных всегда не хватало для того, чтобы сформировать непротиворечивую единую картину того, как работает белок. Группе ученых под руководством Валентина Горделия удалось это сделать.
«Нам удалось установить, что для того, чтобы белок работал, в нем должны образовываться “протонные провода”, которые соединяют некие ключевые места, где происходят изменения в этой молекуле. По ним идет передача сигнала и протонов из одного места белка в другое. Бактериородопсин поглощает фотон, за счет этой энергии в нем происходят структурные перестройки, в процессе которых протон оказывается перенесенным с одной стороны мембраны на другую. Чтобы это произошло, аминокислоты, из которых он состоит, неким образом перестраиваются. Вот именно эти перестройки нам удалось увидеть и потом объяснить, почему по этим протонным проводам начинают бежать протоны. Как, каким образом задается потенциальная сила, которая перетаскивает протон с одной стороны на другую», — рассказывает Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
Статья опубликована в высокорейтинговом научном журнале Nature Structural & Molecular Biology.
Фото: сайт журнал «За науку»