• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
29.04.2022
ФизТех
3
23 237

Биофизики обнаружили «протонные провода» в клетке

4.6

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.

Биофизики обнаружили «протонные провода» в клетке / ©Getty images / Автор: Sycophanta Duccius

Статья опубликована в высокорейтинговом научном журнале Nature Structural & Molecular Biology. Бактериородопсин — один из самых изученных белков в современной науке. Он был открыт более 40 лет назад. Этот белок — важное звено 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.

Протонные провода / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

«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.

Ученые международной группы задействовали несколько подходов. Основным был метод рентгеноструктурного анализа. С его помощью можно узнать, как устроена молекула, где какой атом у нее находится. Но для того, чтобы понять, как она изменяется в ходе своей работы, нужна уже спектроскопия.

На созданные кристаллы светили лазером, и белок внутри начинал работать. Его рабочий цикл равен порядка 10 миллисекунд, за это время он проходит полный оборот изменений и возвращается в начало. Ученые центра МФТИ научились «схватывать» состояния молекулы. Были разработаны методы, которые позволили фиксировать белок в нужной позиции, чтобы «рассмотреть» изменения.

Для этого кристаллы белка замораживали и затем возбуждали светом. В зависимости от температуры белок мог пройти до первого состояния и остановиться на нем. Когда температуру делали повыше, он мог пройти первое состояние и перейти во второе. Таким образом, изменяя и фиксируя температуру, ученые накапливали кристаллы с определенным состоянием белка и изучали их.

В мире много научных команд, которые бьются над аналогичной задачей. Валентин Борщевский поясняет: «Нам было необходимо не только экспериментально описать и осмыслить наши результаты, но и непротиворечиво вписать их в огромный пул данных, который уже существует. В частности, разобрать основные ошибки в имеющихся исследованиях». В каких-то случаях в работах описаны артефакты, которые получились на самом деле из-за радиационного повреждения образца.

Рентген — это ионизирующее излучение, и при проведении рентгеноструктурного анализа образец легко повредить. Если за этим не следить, то можно принять повреждения образца за реальные изменения. В других случаях увеличивали интенсивность света настолько, что лазером создавались артефакты, которые далее изучались. С каждой из ошибок ученым пришлось разобраться.

Валентин Борщевский добавляет: «Ранее у нас вышла серия из нескольких статей, в которой мы каждую из проблем в экспериментах отдельно охарактеризовали. Была еще проблема двойникования кристаллов. Не буду вдаваться в детали, смысл в том, что, когда ты выращиваешь кристаллы, можешь не заметить, что они растут не такими, как надо. Это тоже создает артефакты при простом анализе. После того как мы разобрались с этими проблемами, поняли, как их обходить, можно было приступить к созданию непротиворечивой модели работы, собственно, бактериородопсина. В результате появилась эта публикация как результат многолетнего труда».  

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.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 12:50
Юлия Трепалина

В новом исследовании команда американских и канадских ученых рассмотрела, как снижение калорийности пищи воздействует на теломеры человека — своего рода «защитные колпачки» на концах хромосом, предохраняющие их от повреждений и «склеивания» с другими хромосомами. Влияние оказалось не таким однозначным, как предполагалось.

Вчера, 11:55
Полина Меньшова

Большему количеству учеников, чем когда-либо, трудно осваивать школьную программу. Это связано с низким уровнем развития рабочей памяти и неумением планировать время, считает педагог Алекс Куигли. В новой книге он дал практические рекомендации для учителей, которые помогут сделать работу в классе более продуктивной.

Позавчера, 11:12
Дарья Г.

Ио — самое вулканически активное на сегодня тело в Солнечной системе. Извержения «переделывают» поверхность этого спутника Юпитера быстрее, чем метеориты, и это при том, что обычно тела такой малой массы не могут поддерживать вулканическую активность. В новом исследовании ученые рассчитали, что спутник, вероятно, такой «горячий» на протяжении всего существования. Этот вывод имеет значение для всей системы Юпитера.

Позавчера, 17:37
Мария Азарова

Авторы нового исследования выявили три фактора, ответственные за так называемый алкогольный блэкаут — распространенное последствие употребления спиртных напитков, когда человек сталкивается с провалами в памяти.

19 апреля
Дарья Г.

По оценкам ученых, «свободных» планет в Млечном Пути может быть в 20 раз больше, чем звезд. Так как планеты сами не светятся, разглядеть их сложно: их ищут гравилинзированием, лучше всего обнаруживающим самые массивные планеты типа Юпитера. Но вот удалось найти еще одну такую «сироту», причем не массивную с Юпитер, а земного размера. И ученые уверены, что это лишь первая находка из многих.

19 апреля
Александр Березин

В норме чем больше становится видов в группе, тем острее они конкурируют между собой, что сначала замедляет возникновение новых видов, а затем ведет к вымиранию. Новая научная работа показала, что у рода Homo ситуация почему-то была обратной: чем больше видов он образовывал, тем быстрее возникали новые дополнительные. Среди позвоночных подобных примеров нет, только среди жуков на изолированных островах. Ученые выдвинули ряд гипотез, позволяющих объяснить столь удивительный результат.

8 апреля
Василий Парфенов

Режим работы, количество трудовых часов в неделю и экономическую стабильность профессии прочно ассоциируют с благополучием человека. Количественно и качественно определить эти взаимосвязи получается редко — нужны большие выборки респондентов и длительное время наблюдений. Автор новой научной работы использовал долговременное исследование более чем семи тысяч американцев, чтобы выявить основные эффекты паттернов трудовой деятельности на психическое и физическое здоровье работающих людей.

28 марта
Игорь Байдов

Американская компания JetZero, которая обещает произвести фурор в гражданской авиации, получила сертификат летной годности на испытания уменьшенной копии разрабатываемого ею сверхэффективного реактивного авиалайнера со «смешанным крылом». Предстоящая программа летных испытаний будет направлена на оценку летно-технических характеристик самолета, его устойчивости и управляемости.

29 марта
Ольга Иванова

Ученые из США и Швейцарии определили четыре ключевых механизма, задействованных в трансформации личности человека. Но ни один из них не сработает без самого главного — сильного желания измениться.

[miniorange_social_login]

Комментарии

3 Комментария

Nikolaj Skomorochov
30.04.2022
-
0
+
может в вечернее время вялость и сонливость не преимущественно из-за мелатонина, а из-за этого белка, который с уменьшением кол-вы света менее активен и соответственно производство атф уменьшается по сравнению с дневной фазой?
    Дмитрий
    30.04.2022
    -
    0
    +
    Все гормоны управляют клетками через рецепторы, как ключ и замок. Рецепторы уже включают процессы в клетках. Белок из статьи - это часть таких процессов, "уровень железа", или субклеточный так сказать. Нет необходимости лезть на такой субклеточный уровень, если у вас разбалансировка на уровне управления, например.
    Kiridan
    03.05.2022
    -
    0
    +
    Что-что, а вот производство АТФ здесь никаким боком.
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: