Суточным колебаниям активности подчиняется не только наш цикл сна и бодрствования: циркадные ритмы действуют на каждую клетку нашего организма. И не только нашего – недаром типичным объектом для их изучения выступают фотосинтезирующие цианобактерии. Разумеется, изменения освещенности служат основным сигналом, задающим темп этим цикличным колебаниям, однако точный отсчет ведут внутренние механизмы клетки. Судя по универсальности циркадных ритмов, механизмы эти очень древние и близкие у разных организмов. Поэтому белки Kai, обнаруженные у цианобактерий, способны многое рассказать о том, как устроены внутренние часы и у человека.
©Wikipedia
Если действительно проводить параллель между циркадными ритмами и часами, то астрономические сутки можно сравнить с энергией подвешенного груза или взведенной пружины. Увеличение или снижение освещенности запускает механизм – но в точный отсчет, в сбалансированный ход эту энергию превращает колеблющийся маятник. Эту функцию выполняют белки CLOCK и BMAL1, период существования которых составляет почти ровно 24 часа: как только содержание их падает ниже определенного уровня, для клетки начинается «новый день».
Однако этот механизм, открытый около года назад, недостаточно точен, он позволяет лишь грубо оценить ход времени, как часовая стрелка. На роль более точной «минутной стрелки» подошел бы белок, способный к регулярным конформационным изменениям – то есть «переключению» из одной формы в несколько другую, а затем обратно. Однако для большинства таких белков период колебаний составляет доли секунды. Слишком мало, слишком быстро.
Лишь недавно были обнаружены белки Kai с невероятно длинным периодом конформационных колебаний – точнее говоря, три белка, KaiA, KaiB и KaiC, – которые задают эти ритмы. «Достаточно добавить к этим белкам «внутренних часов» цианобактерий молекулы – носители энергии, и пробирка, условно говоря, начнет «тикать». По ней можно узнать время, – говорит изучивший систему белков Kai профессор Энди ЛиВон (Andy LiWang). – Но как она работает, сохраняя 24-часовой цикл?»
Основной загадкой является момент перехода между чрезвычайно быстро развивающимися процессами на уровне отдельных молекул и сравнительно медленным ритмом, которые они задают. Изучив структуру белка KaiC, профессор ЛиВон и его команда показали, что клетка искусственно замедляет его работу. Он, как и прочие ферменты, связывается с носителем энергии – молекулой АТФ – и, разрезав ее, способен мгновенно изменить свою пространственную структуру. Однако у белка KaiC этот процесс нарушен: форма его активного участка устроена так, что он довольно надежно удерживает молекулу воды как раз в месте связывания АТФ. Реакция проходит с трудом, и каждый цикл конформационных изменений требует у белка в миллионы раз больше времени, чем обычно.
Даже температура на этот процесс оказывает мало влияния: цикл работы KaiC составляет 26,1 часа (или 0,91 колебания в сутки). Забавно, что наши собственные внутренние часы, как известно, должны постоянно «сверяться» с внешним освещением, иначе они сбиваются, слегка отставая. Показано, что внутренние механизмы задают нам сутки продолжительностью чуть больше 24 часов. Возможно, виной тому такой же «заторможенный» белок, как и KaiC у бактерий.
