Биофизики подтвердили активную роль воды в протонном транспорте в белках

Биофизики Рурского университета в Бохуме (Ruhr-Universität Bochum, RUB) открыли диод для протонов: подобно тому, как этот электронный компонент определяет направление электрического тока, «протонный диод» обеспечивает прохождение протонов через клеточную мембрану только в одном направлении. В качестве активных компонентов диода важную роль в этом процессе играют молекулы воды.

Протонный диод в светочувствительном протонном насосе бактериородопсине. (Рис: Ruhr-Universität Bochum)

Группа ученых под руководством профессора кафедры биофизики RUB доктора Клауса Герверта (Klaus Gerwert) смогла наблюдать за этим явлением благодаря сочетанию молекулярной биологии, рентгеновской кристаллографии, время-разрешенной фурье-ИК спектроскопии и биомолекулярного моделирования. Ученые сообщают о своем открытии в международном он-лайн издании журнала Angewandte Chemie.

Протоны приводят в движение белковые турбины

Протонный диод играет важную роль в выработке клетками энергии. Приводимые в действие светом протонные насосы – особые интегрированные в мембраны белки – выводят протоны из клетки, создавая таким образом избыточное давление вне ее, что «очень похоже на то, как создается давление воды на плотину», объясняет профессор Герверт. Где-то в другом месте протоны снова поступают в клетку, выравнивая градиент концентрации, и таким образом приводят в движение клеточные турбины – белки, известные как АТФазы. Выделяемая в результате энергия превращается в универсальное топливо клеток АТФ (аденозинтрифосфат). «Этот процесс - своего рода архаичный фотосинтез», - сравнивает профессор Герверт. «Энергия света, в конечном счете, превращается в энергию удобную для использования организмом».

Детали этих процессов и явились предметом исследования. В частности, роль молекул воды в белках долго оставалась неясной. «Раньше считалось, что молекулы воды сталкиваются с белками случайно и не выполняют никакой специальной функции», - говорит Герверт.

В 1967 году уроженцу Бохума Манфреду Эйгену (Manfred Eigen), сумевшему объяснить, почему протоны воды и льда являются такими хорошими проводниками, была присуждена Нобелевская премия в области химии. Настоящая работа демонстрирует, что белки используют в точности такой же механизм и что молекулы воды действительно играют в белках активную роль.

Вода важна так же как аминокислоты

Результаты, поученные в ходе исследования, подтверждают выдвинутую Клаусом Гервертом (Nature, 2006) гипотезу о том, что связанные с белками молекулы воды являются такими же важными каталитическими элементами для функционирования белков, как и аминокислоты - строительные блоки жизни. Биофизики Бохума посвятили свою статью в Angewandte Chemie Манфреду Эйгену, который опубликовал свои основные тезисы по переносу протонов в воде в этом же журнале в 1964 году. Зимние семинары Эйгена в Клостерсе произвели большое впечатление на Клауса Герверта.

Динамичная картина вместо застывшего изображения

Исследователи Бохума смогли достичь своих результатов благодаря междисциплинарному подходу на основе сочетания молекулярной биологии, рентгеновской кристаллографии, время-разрешенной фурье-ИК спектроскопии и биомолекулярного моделирования. Такое сочетание позволяет увидеть динамику процессов в незначительно возбужденном белке с атомным разрешением. «Можно отследить, как протон переносится из центрального сайта связывания в белке к поверхности мембраны с помощью сначала аминокислоты, а затем протонированного кластера воды», - объясняет Герверт.

Профессор RUB Клаус Герверт (Klaus Gerwert). (Рис: Ruhr-Universität Bochum)

В настоящее время классические методы структурной биологии, рентгеновская кристаллография и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), расширяются благодаря междисциплинарному подходу, поскольку он предоставляет возможность получить динамическую картину, а не просто фиксированное изображение белков. Эксперименты в Бохуме были дополнены компьютерным моделированием, разработанным в Институте вычислительной биологии (Institute for Computational Biology) в Шанхае. Клаус Герверт является как профессором RUB, так и директором этого института – партнера Общества Макса Планка (Max-Planck-Gesellschaft).

По материалам

Bochumer Forscher entdecken Protonendiode

Аннотации к статьям

Steffen Wolf, Erik Freier, Meike Potschies, Eckhard Hofmann, Klaus Gerwert. Directional Proton Transfer in Membrane Proteins Achieved through Protonated Protein-Bound Water Molecules: A Proton Diode

Florian Garczarek, Klaus Gerwert. Functional waters in intraprotein proton transfer monitored by FTIR difference spectroscopy

© «Биофизики подтвердили активную роль воды в протонном транспорте в белках». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на сайт LifeSciencesToday.

Твитнуть