Йод проявляет структуру мембранных белков — Naked Science
12 минут
ФизТех

Йод проявляет структуру мембранных белков

Структура таких белков позволяет на молекулярном уровне понимать зрение, обоняние, работу нервной и сердечно-сосудистой систем.

Йод проявляет структуру мембранных белков
Йод проявляет структуру мембранных белков

Исследование международного коллектива ученых, в который вошли и специалисты из МФТИ, показало, что давно известный метод «йодного фазирования» в структурной биологии оказывается неожиданно универсальным, если нужно определить структуру белка, живущего в клеточной мембране. Структура таких белков позволяет на молекулярном уровне понимать зрение, обоняние, работу нервной и сердечно-сосудистой систем.

Авторы работы, опубликованной в Science Advances, успешно применили известный метод йодного фазирования на четырех различных мембранных белках из разных классов, и обнаружили, что йод одинаково взаимодействует со всеми белками. Это дает гарантию на успех работы метода в случае новых структур и обеспечивает быстрое определение структур, важных для ускоренной и дешевой разработки лекарств компьютерными технологиями.

Мембранные белки — самые общительные биологические молекулы

Как известно, все живые организмы состоят из клеток. Все эти клетки, от кишечной палочки до человека, имеют общее строение. В частности, все клетки отделены от окружающего мира плотной клеточной мембраной, не пропускающей через себя большинство химических веществ. Такое уединение позволяет клетке поддерживать внутри себя постоянные условия, необходимые для отлаженной работы сложных биохимических механизмов. Однако, чтобы выжить, клетки должны внимательно наблюдать за изменениями внешней среды и своевременно реагировать на них. Для этого в геноме каждой клетки каждого организма закодированы сотни особых белков, встраивающихся в клеточную мембрану (и поэтому называющихся мембранными) и отвечающих за «общение» клетки с окружающим миром. Кроме того, такие белки могут переносить внутрь клетки химические вещества, которые не пропускает клеточная мембрана, но которые необходимы клетке для питания или проведения биохимических реакций.

Кристаллография помогает структурной биологии, но теряет фазы

Самый известный пример успеха структурной биологии — определение двухцепочечной структуры ДНК нобелевскими лауреатами Уотсоном и Криком в 1953 году. Элегантная модель, построенная ими, была разработана на основе структурных исследований их коллеги Розалинд Франклин. Двухцепочечная структура позволила объяснить процессы передачи генетической информации в клетках и заложила основу для современной биологии.

Кристаллография — основной метод структурной биологии. Она позволяет узнать структуру биологических молекул (чаще всего речь идет о белках) с точностью до атома. Такая точность позволяет не только увидеть основы работы белков, но и смоделировать их поведение, основываясь на законах физики.

Вся кристаллография построена на физическом явлении дифракции. Для измерения дифракционного сигнала на кристаллы белковых молекул светят рентгеновским излучением. При этом за счет того, что молекулы в кристалле хорошо упорядочены, сигнал многократно усиливается в определенных направлениях рассеяния, позволяя «засечь» его на фоне шума. Однако при этом во всех направлениях записывается лишь усредненный сигнал и теряются так называемые фазы. Они содержат информацию о том, насколько сигналы запаздывают друг относительно друга, и необходимы для определения структуры молекулы по данным дифракции. Потеря фаз немного похожа на то, как теряет свою ценность изображение при обесцвечивании: остается только «насыщенность» каждой отдельной точки, но детали о цвете теряются, не позволяя восстановить бóльшую часть информации.

<img src="http://old2.naked-science.ru/sites/default/files/images_custom/2017/05/1.png" alt="
Потеря информации при обесцвечивании изображения. Немного схожим образом теряется информация и в кристаллографии: при записи дифракционных данных остаются только интенсивности рассеянного рентгеновского света, а данные об их взаимосвязи пропадают бесследно.

В поисках утраченных фаз

На данный момент разнообразие решенных структур часто позволяет подбирать фазы компьютерными методами: сначала начальные фазы выбираются на основе какой-нибудь уже решенной структуры, а затем уточняются вручную. Однако этот подход часто не приводит к успеху. Особенно в случае данных низкого разрешения, типичных для мембранных белков, или абсолютно новых структур, не похожих ни на одну из предыдущих.

В таких случаях фазы находят экспериментально, используя так называемую аномальную дифракцию, — особую несимметричность дифракционных сигналов, испускаемых тяжелыми химическими элементами (йод, гадолиний, бром или даже сера). Для того, чтобы метод сработал, эти элементы должны сильно связываться с молекулами белка в кристалле, чтобы быть так же хорошо упорядоченными и давать сильный дифракционный сигнал. Часто подбор правильного элемента требует много времени и тратит много ценных белковых кристаллов.

Исследователи показали, что метод гарантированно сработает в случае взаимодействия мембранных белков и ионов йода в растворе. Это связано с характерной особенностью всех мембранных белков в природе. Они устроены так, что на границе «мембрана-раствор» все белки несут положительный заряд, который компенсирует отрицательно заряженную поверхность мембраны. Йод сильно взаимодействует с этими зарядами и «садится» на белок в совершенно определенных местах, гарантируя успех экспериментального поиска фаз.

Йод проявляет структуру мембранных белков
Место посадки йода в структурах разных белков. На A, B, C, D: слева — структура белка с отмеченными следами ионов йода (фиолетовым), справа — та же структура, встроенная в клеточную мембрану. Видно, что ионы йода (оранжевым) прикрепляются к белку на границе мембраны — именно там сконцентрирован выгодный для йода положительный заряд, нейтрализующий отрицательный заряд на поверхности мембраны

«В своей работе мы показали успешное решение структуры четырех уже известных белков из разных организмов: светочувствительной натриевой помпы из морской бактерии Krokinobacter eikastus, мембранного белка из кишечной палочки, аденозинового рецептора человека и протонной помпы из морской бактерии Marine Actinobacterial Clade. Все четыре структуры показали, что ионы йода действительно связываются с положительно заряженными аминокислотами в тех местах, где белок входит в мембрану. По сравнению с бромом, который иногда используют для решения фазовой проблемы, йод надежнее связывается с белком и гарантирует решение фазовой проблемы», — говорит Игорь Мельников, автор исследования, выпускник МФТИ и сотрудник Европейского центра синхротронной радиации.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
12 часов назад
9 минут
Василий Парфенов

Или это делает любой другой аналогичный нам вид разумных существ прямо сейчас. В симуляции американские ученые использовали самые консервативные параметры скорости перемещения кораблей-поселений, а также времени жизни цивилизаций и поселений из возможных. Даже при пессимистичном раскладе, если вид не уничтожает себя, он колонизирует всю Галактику более чем в разумные сроки.

Вчера, 10:51
61 минута
Александр Березин

Восемьдесят лет назад началась война — крупнейшая в истории нашей страны, да и мира в целом. Германия напала на СССР, а огромный советский воздушный флот оказался почти бессилен перед намного меньшим немецким. Объяснений этому предлагали много. Мол, советские самолеты на тот момент устарели — среди них были даже бипланы! Тщательный анализ реальной ситуации показывает принципиально иную картину. В июне 1941 года советские самолеты во многом были лучше тех, что пришли им на смену в 1941-1943-х. Звучит дико, но в реальных боях Ил-2 оказался хуже легких штурмовиков-бипланов, а Як-1 — поздних модификаций И-16. Почему так вышло и в чем на самом деле причины кошмарных поражений советских ВВС в первое лето войны?

Вчера, 17:33
5 минут
Илья Ведмеденко

В Сеть выложили фото- и видеоматериалы, на которых можно рассмотреть новейшую китайскую подлодку, известную как Type 039C Yuan. Ее успели сравнить с перспективной шведской субмариной типа Blekinge, имеющей похожие внешние особенности.

19 июня
5 минут
Илья Ведмеденко

Снимки демонстрируют интерьер новой российской атомной многоцелевой субмарины — К-561 «Казань», принадлежащей к проекту 885М «Ясень-М».

19 июня
55 минут
Александр Березин

Два миллиона лет назад планета вошла в состояние крайне необычной неустойчивости. Раз за разом она стирала экосистемы Африки с лица земли, отчего наши предки снова и снова оказывались в сложном положении. Семьдесят тысяч лет назад их число сократилось в десять раз — ударил другой, совершенно неожиданный фактор. Пару сотен тысяч лет назад не только человечество, но вообще все наземные виды могли погибнуть от еще более разрушительной силы. 12,9 тысячи лет назад множество людей умерли и миллионы квадратных километров полностью выгорели из-за взрывов в атмосфере и огненного дождя. Как именно наш вид пережил все это?

21 июня
9 минут
Мария Азарова

Китайские ученые воспроизвели модель мужской беременности млекопитающих на лабораторных крысах: результаты оказались успешными лишь отчасти, но все равно показали, что в таких случаях эмбрионы могут развиваться нормально. Мировое сообщество восприняло эксперимент с ужасом.

24 мая
23 минуты
Ольга Иванова

«Сексуальную революцию совершили задние сиденья автомобилей», – заявил в свое время американский общественный деятель Джерри Рубин. И ошибся. Раскрепощение нравов происходило задолго до появления машин, причем много раз. Оно напоминает движение маятника. Как и почему вершились «секшал революшнс» и стоим ли мы на пороге нового витка сексуальности или же нас ждет ужесточение морали? Об этом – в нашем материале.

9 июня
4 минуты
Ольга Иванова

Международная команда исследователей изучила геологию и условия существования самого большого моря в истории планеты — Паратетиса.

19 июня
5 минут
Илья Ведмеденко

Снимки демонстрируют интерьер новой российской атомной многоцелевой субмарины — К-561 «Казань», принадлежащей к проекту 885М «Ясень-М».

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: