Учёные пролили свет на загадочный молекулярный механизм, питающий клетки большинства форм жизни

Команда структурных биологов из Исследовательского института Скриппса (TSRI) сделала большой шаг к пониманию сложного молекулярного механизма метаболического фермента, производимого большинством форм жизни на Земле.

Результаты, опубликованные 9 января в журнале Science, касаются никотинамиднуклеотидтрансгидрогеназы (TH) — древнего эволюционного фермента, встречающегося во всём животном царстве, а также у растений и многих более простых видов. Этот фермент — часть процесса, ключевого для поддержания здоровья клеток, и недавно был связан с такими заболеваниями, как диабет и рак.

"Несмотря на свою важность, TH был одним из наименее изученных митохондриальных ферментов. Наше новое исследование помогает прояснить некоторые загадки — предполагая, как структура фермента может использовать протоны, и указывая, что его две стороны способны чередовать функции, всегда оставаясь в балансе", — сказал доцент TSRI К. Дэвид Стаут.

Питание клетки

У людей и других высших организмов ферменты TH работают внутри митохондрий — крошечных "реакторов" с двойной оболочкой, которые помогают питать большинство клеточных процессов.

Когда митохондрия сжигает кислород, она выкачивает протоны (атомы водорода, лишённые своих электронов) из своего внутреннего отсека ("матрикса"), создавая избыток этих заряженных частиц прямо за пределами внутренней мембраны. Ферменты TH, закреплённые одним концом в этой мембране, позволяют протонам по одному возвращаться через мембрану в матрикс. Этот процесс, аналогичный тому, который производит АТФ (универсальный источник энергии клетки), также связан с производством соединения NADPH, критически важного для нейтрализации активных форм кислорода и поддержания здоровья клеток.

Лаборатория Стаута и другие ранее описывали части фермента TH, выступающие из мембраны в митохондриальный матрикс. Но точное понимание механизма TH оставалось неуловимым. В своей целостности фермент имеет исключительно рыхлую структуру, что затрудняет его изучение с помощью рентгеновской кристаллографии — стандартного инструмента для определения структур крупных белков с атомарным разрешением.

"Ключевые детали, которых нам не хватало, включают структуру трансмембранной части TH и способ, которым части собираются в целый фермент", — сказала Джозефин Х. Леунг, аспирант лаборатории Стаута и ведущий автор исследования.

Новые ключи к динамической структуре

В новом исследовании, благодаря технологии, разработанной профессором Вадимом Черезовым (ныне в Университете Южной Калифорнии), Леунг и её коллеги впервые смогли получить кристаллы (упорядоченные группировки) трансмембранной части TH и использовать рентгеновскую кристаллографию для определения её структуры с атомарным разрешением 2.8 ангстрема (280 триллионных метра).

Команда также смогла вырастить кристаллы всего фермента TH. Они дали структурное изображение с гораздо более низким разрешением, но исследователи смогли улучшить разрешение до 6.9 ангстрема, подставив данные кристаллографии отдельных частей TH. В дальнейшем исследовании профессор Бриджет Каррагер и коллеги из Национального ресурса автоматизированной молекулярной микроскопии (NRAMM) в TSRI получили изображения отдельных копий фермента с разрешением 18 ангстрем с помощью электронной микроскопии. Стаут подчеркнул, что такая бесшовная коллаборация в TSRI сделала эту работу возможной.

Данные электронной микроскопии подтвердили, что TH естественным образом существует как "димер" — две идентичные копии, связанные вместе, — и дали важные ключи к пониманию того, как TH работает в такой конформации.

Непосредственно над трансмембранной структурой TH, внутри митохондриального матрикса, находится структура "домена III", которая связывает молекулу-предшественник NADPH, NADP+, во время превращения в NADPH. Структурные биологи не понимали, как две такие структуры могут работать бок о бок в димере TH и не мешать активности друг друга. Новые структурные данные предполагают, что эти соседние структуры высоко гибкие и всегда имеют разную ориентацию.

"Наше самое поразительное открытие заключалось в том, что две структуры домена III не симметричны — одна из них обращена вверх, а другая — вниз", — сказала Леунг.

В частности, одна из структур ориентирована, по-видимому, для катализа производства NADPH, в то время как другая повёрнута к мембране, возможно, для облегчения транзита протона. Новая структурная модель предполагает, что с каждым прохождением протона две структуры домена III переворачиваются и меняются функциями. "Мы подозреваем, что именно прохождение протона каким-то образом вызывает это переворачивание структур домена III", — сказала Леунг.

Но предстоит ещё много работы, чтобы определить точную структуру и механизм TH. Например, новые структурные данные свидетельствуют о вероятном протонном канале в трансмембранной области TH, но показывают только его закрытую конформацию. "Мы подозреваем, что этот канал может иметь другую, открытую конформацию, которая позволяет протону пройти, так что это одна из деталей, которую мы хотим изучить дальше", — сказала Леунг.

"Впереди ещё много экспериментов", — сказал Стаут.