Раскрыты начальные молекулярные события дыхания
Дыхание — фундаментальный процесс для всех живых существ, позволяющий производить энергию. В клетках оно осуществляется с помощью дыхательных белков, таких как гемоглобин в крови и миоглобин в мышцах.
Эти белки связывают и высвобождают малые молекулы (лиганды), такие как кислород или монооксид углерода, через свой активный центр — химическую структуру гема (гем-порфирин).
Связывание и высвобождение лигандов вызывает изменения в молекулярной и электронной структуре гема. Ключевое изменение — переход от плоской низкоспиновой формы порфирина (связанной с лигандом) к куполообразной высокоспиновой форме (без лиганда) и обратно. Этот сдвиг — важный шаг для дыхания, в конечном итоге переключающий гемоглобин между «расслабленной» и «напряженной» конформациями.
Долгое время доминировали две теории о механизме этого перехода: либо за счет тепловой релаксации, либо через каскад переходов между спиновыми состояниями электронов.
Команда ученых под руководством Маджеда Шерги из EPFL разрешила этот спор. Исследователи отделяли малую молекулу от гема с помощью коротких лазерных импульсов, а затем использовали короткий импульс жесткого рентгеновского излучения от лазера на свободных электронах, чтобы вызвать рентгеновскую эмиссию (XES). Этот метод, являющийся чувствительным «отпечатком» спинового состояния молекул, позволил отследить изменения гема во времени. Ученые установили, что переход от плоской к куполообразной форме и обратно вызван именно каскадом переходов между спиновыми состояниями.
Исследование проводилось на нитрозил-миоглобине (миоглобин, связанный с молекулой оксида азота NO), который играет ключевую роль в нейропередаче, регуляции вазодилатации, агрегации тромбоцитов и иммунных ответах.
«Выводы нашей работы применимы ко всем гем-белкам, — говорит Маджед Шерги. — В частности, к гемоглобину при захвате и высвобождении кислорода во время дыхания. Хотя этот процесс происходит при тепловых температурах тела, само дыхание управляется электронными изменениями в геме».