Растения приглушили выработку своей энергии ночью с помощью ионов
Для работы любой клетки необходимы АТФ, молекулы — хранилища энергии. Их создают АТФ-синтазы, особые ферменты, которые есть в том числе в хлоропластах растений. Ученые МФТИ выяснили, как солевой состав окружающего раствора влияет на активность и стабильность этого белка в хлоропластах шпината.
Статья опубликована в журнале Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology.
Живую клетку можно сравнить с заводом или другим предприятием, которое без остановки работает. Синтезирует одни вещества, разрушает другие, отстраивает опорные конструкции и делится, создавая свои копии. Все это требует затрат энергии, и ее необходимо бесперебойно обеспечивать.
Задачу решают специальные ферменты, то есть белки с каталитическими функциями. Аденозинтрифосфатсинтазы (АТФ-синтазы), как легко догадаться по названию, заняты синтезом тех самых «молекул-батареек» АТФ. Это даже не отдельные белковые молекулы, а крупные комплексы из ряда белков — субъединиц. Собственные АТФ-синтазы есть у всех живых клеток. Конструкция этой молекулярной машины может несколько различаться, но принципы работы универсальны.
АТФ-синтаза состоит из двух крупных частей. Одна из них погружена в толщу мембраны и называется Fo, другая находится в растворе внутри клетки и обозначена как F1 («головка»). Основа цитоплазматической части F1, которая растворима в воде, — это гетерогексамер, то есть комплекс из шести разных белковых молекул (по три чередующиеся альфа- и бета-субъединицы). Именно здесь происходит образование новых молекул АТФ. Мембранная часть комплекса Fo между тем работает как ротор, то есть вращающийся компонент механизма. Она состоит из расположенных по кругу одинаковых субъединиц. Fo и F1 соединены между собой двумя стержнями: это гамма-субъединица в центре и b-/b’-субъединицы на краю комплекса.
Как работает это хитроумное устройство? Ионы водорода проходят через мембранную часть АТФ-синтазы по градиенту концентрации. То есть с той стороны мембраны, где их больше, туда, где их меньше. Поток ионов вращает «ротор», который при помощи центрального стержня приводит в движение «головку» АТФ-синтазы. В результате та катализирует синтез АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и остатка фосфорной кислоты.
Примечательно, что АТФ-синтаза может также работать как АТФаза. То есть осуществлять обратный процесс — разрушать АТФ и извлекать из него энергию.
Ученые активно исследуют образование олигомеров АТФ-синтазы. То есть объединение таких молекулярных комплексов в еще более крупные, например димеры. Они описаны у митохондриальной АТФ-синтазы — она даже имеет особые субъединицы для такой сборки. Фермент из бактерий и хлоропластов — органелл растений, ответственных за фотосинтез, — таких лишены. Тем не менее авторы нового исследования ранее показали, что хлоропластная АТФ-синтаза тоже образует димеры, напоминающие по форме букву I. Для этого требуется высокая концентрация хлорида натрия.
На сей раз биофизики из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ заинтересовались, как состав окружающего раствора сказывается на состоянии АТФ-синтазы и ее функциях. Они экстрагировали фермент из хлоропластов шпината и перенесли на липосомы — пузырьки из липидов, которые служат моделью реальных биологических мембран. Липосомы с АТФ-синтазой помещали в растворы солей — хлорида натрия NaCl, нитрата натрия NaNO3 и сульфата натрия Na2SO4 при разной концентрации.
Чтобы оценить поведение АТФ-синтазы, авторы замеряли скорость ее работы по росту концентрации АТФ. В среднем каждый фермент производил 0,04–0,07 молекулы АТФ за секунду, что примерно соответствует 20 секундам его «работы» для создания одного АТФ. Это намного меньшая скорость, чем была показана в предыдущих исследованиях АТФ-синтаз. Ученые объясняют разницу разрушением ферментов, потерей их активности по иным причинам и расхождениями в протоколах экспериментов.
Перенесенную на липосомы АТФ-синтазу шпината изучали при помощи нано-дифференциальной сканирующей флуориметрии (NanoDSF, nano-differential scanning fluorimetry). Это биофизический метод, позволяющий оценить изменчивость формы белка (в том числе его денатурацию) на основе флуоресценции его собственных аминокислот, а именно триптофана и тирозина. Сильная сторона NanoDSF — не нужно использовать дополнительные флуоресцентные красители.
Оказалось, что ионная сила раствора — мера интенсивности электрического поля, создаваемого всеми ионами в растворе, — при высоких значениях (более одного моль на литр) снижает активность АТФ-синтазы в два раза. При этом неважно, какие именно ионы создают такую ионную силу: эффект не зависел от используемой соли.
Температура плавления АТФ-синтазы — то есть ее денатурация, потеря фиксированной трехмерной формы — в растворах хлоридов натрия и калия с большими значениями ионной силы повысилась. А именно увеличилась с 60,5 градуса Цельсия примерно до 62 градусов.
«Одним из центральных вопросов в изучении белков остаются механизмы, регулирующие их активность. В нашем исследовании мы обнаружили, что ионная сила раствора способна влиять на работу хлоропластной АТФ-синтазы шпината. Мы предполагаем, что это может быть одним из способов, с помощью которого растение „выключает” АТФ-синтазу в ночное время (когда отсутствует свет). Тем не менее для окончательного подтверждения этого механизма требуются дальнейшие исследования», — поделился Степан Осипов, сотрудник лаборатории молекулярной клеточной биологии и оптогенетики МФТИ.
Telegram 
Дзен 
VK Американские биотехнологи впервые сообщили об обращении вспять клеточного старения в живых клетках печени человека — не мышиных, не синтетических, а именно человеческих. На волне этого результата компания привлекла 435 миллионов долларов и готовится к клиническим испытаниям.
Роль личности в истории чаще всего иллюстрируют правителями или полководцами. Но, глядя на современную карту мира, нельзя не признать: она выглядела бы принципиально иначе, если бы не одна крестьянская девушка, которую сожгли в этот день ровно 595 лет назад.
Может ли человек или другое животное воспользоваться преимуществами сна, не смыкая глаз? Этим вопросом задалась команда американских нейробиологов. Они провели эксперимент на грызунах и выяснили, что «включения и выключения» нейронной активности в коре бодрствующих мышей позволяют вызвать некоторые эффекты, аналогичные тем, которые появляются во время фазы медленного сна. Более того, такой подход помог добиться улучшения памяти. Теперь ученые хотят повторить эксперимент на людях.
В 2017 году человечество впервые заметило объект, прилетевший из другой звездной системы. Он оказался странным, почти не похожим ни на астероид, ни на комету, и получил имя Оумуамуа. Затем появился «нормальный» межзвездный странник — комета Борисова. А в 2025-м астрономы обнаружили 3I/ATLAS — объект, который, вероятно, хранит вещество времен рождения чужих миров. Но что изменили в астрономии эти три гостя из межзвездной тьмы?
Астрономы провели длительную радиодиагностику межзвездного объекта 3I/ATLAS и не нашли признаков искусственных технологий. Наблюдение окончательно подтвердило естественную природу ледяного тела, хотя ученые изначально не ожидали сенсации.
Тысячу лет назад колоссальный степной пояс от Амура до Дуная назывался Великой степью. На Руси его знали как Дикую степь. В этом краю жили кочевники, и среди них — хищная птица сокол-балобан. Сейчас цельной трансконтинентальной популяции балобана больше нет. Небольшой европейский островок уцелел в Венгрии, Австрии и в Крыму. Есть популяция в Казахстане, Монголии и Китае. В России сокол-балобан, помимо Крыма, живет в горах Южной Сибири. И выживание этой популяции, как и всего вида, под угрозой. Как живет эта птица и как ей помогают в нашей стране? Зачем в Хакасии посреди «нигде» построили огромный облёточник? Буквально сегодня в него уже доставили первую партию птиц.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно