Ученые определили структуру важного белка в энергетическом обмене клеток

Ученые из Тринити-колледжа в Дублине с помощью специализированной кристаллографической техники определили структуру крупного белкового комплекса. Это повысит понимание процессов генерации и хранения энергии в клетках. Результаты опубликованы в онлайн-версии журнала Nature.

АТФ — энергетическая валюта клетки. Исследователи определили кристаллическую структуру, объясняющую, как на молекулярном уровне работает специфический белковый комплекс в этом процессе.

Для кристаллизации белка и определения структуры методом макромолекулярной рентгеновской кристаллографии ученые создали самодельный мимик липидного мембранного жидкого кристалла. Структура показывает расположение в трехмерном пространстве всех основных атомов белка. Именно конечная структура белка определяет, как нанометровая белковая машина работает, чтобы разъединить два атома кислорода в молекуле O₂ и соединить каждый с электронами и протонами. Этот высокорегулируемый процесс производит безвредную воду и одновременно запасает энергию в форме химического и электрического (протонного) градиента по обе стороны мембраны, который может совершать работу для клетки.

Белок, использованный в исследовании, происходит из бактерии Thermus thermophilus, которая оптимально растет при 65 °C и играет роль в компостировании. Она была обнаружена в горячем источнике в Японии. Работа показывает, что фермент из Thermus имеет дополнительный домен, подходящим образом расположенный для быстрого, эффективного и направленного туннелирования и переноса электронов к активному центру в ядре белка, где происходит вся сложная химия кислорода. Структура выявляет характерный химический мотив рядом с активным центром, готовый к переносу протона, ведущему к восстановлению кислорода и протонной помпе. Работа дает представление о том, как протоны и электроны направленно перемещаются внутри белков. Она также идентифицирует новую сахаропокрытую липидную (жировую) молекулу и демонстрирует общую применимость мимиков липидных мембран для кристаллографического определения структуры мембранных белков.

Профессор мембранной структурной и функциональной биологии Мартин Кэффри поясняет: «Кристаллическая структура — это статичный вид или снимок белка, обычно в одном состоянии. Но белок — это машина, у которой много движущихся частей и мириады состояний, через которые он циклически проходит «роботически», чтобы выполнять свой сложный набор функций снова и снова. Чтобы запечатлеть весь фильм состояний, через которые он проходит, на основе одного кристаллографического снимка, требуется сложная вычислительная работа, называемая молекулярно-динамическим моделированием (MDS)».

Доктор Андрей Писляков, сотрудник из Института перспективных наук RIKEN в Японии, предоставил поддержку по MDS для проекта и, по сути, «вдохнул жизнь» в замороженную кристаллическую структуру. Это показало, как протоны попадают в фермент из водной внутренней среды клетки и направляются либо в активный центр для химии кислорода, либо полностью через мембрану для создания протонного градиента. Это также проиллюстрировало, как образованная в активном центре вода покидает белок.

Исследование было начато в 2004 году, когда доктор Теуфик Сулимане присоединился к исследовательской группе профессора Кэффри, тогда в Университете Лимерика. Аспирант лаборатории профессора Кэффри, Орла Слэттери, успешно кристаллизовала очищенный фермент, предоставленный доктором Сулимане. Впоследствии другой аспирант лаборатории Кэффри, Джозеф Лайонс, усовершенствовал исходные условия кристаллизации и вместе с постдоком группы доктором Дэвидом Арагао выполнил сложную кристаллографическую работу, потребовавшую многочисленных поездок к источникам синхротронного рентгеновского излучения по всему миру для решения структуры.

«Хотя работа многое объясняет в том, как эти сложные белковые машины работают, чтобы извлекать энергию из пищи в клетках, многое еще предстоит понять. Структура, представленная в этом исследовании, может рассматриваться как воплощение набора гипотез о том, как белок делает то, что он делает. Эти гипотезы теперь должны быть проверены повторяющимися циклами экспериментальной лабораторной и компьютерной работы», — заключил профессор Кэффри.

Исследование финансировалось Science Foundation Ireland, National Institutes of Health, EU FP7 и Marie Curie Actions.