Танцующие энзимы: ученые визуализировали работу каталитических ферментов
Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый метод визуализации структуры белка с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), который показывает, как перемещаются различные части сложных молекулярных механизмов, таких как ферменты, во время каталитических реакций. Исследование опубликовано в Журнале Американского химического общества.
На примере фермента дрожжевого грибка авторы продемонстрировали, как различия в движении на атомном уровне влияют на его функцию. Этот метод открывает широкие возможности изучения механизмов работы биомолекул и их связи с различными заболеваниями.
Ферменты необходимы для функционирования всех биологических организмов, в том числе человека. Несмотря на то, что снимки, сделанные с помощью рентгеновской или криоэлектронной микроскопии, позволили выявить их сложную молекулярную структуру, во время работы белки постоянно находятся в движении.
Структура энзимов на атомном уровне постоянно меняется, захватывая другие биомолекулы и помогая им вступать в реакцию в строго определенной последовательности. Эти молниеносные движения на нанометровом уровне крайне сложно зафиксировать.
Объединив несколько различных подходов, исследователи под руководством доцента Тэппэя Икэи из Токийского столичного университета успешно определили точную «структуру ансамбля» реагирующего фермента. Говоря простыми словами, структура ансамбля — это совокупность всех состояний, которые может принимать макромолекула, с учетом вероятности возникновения каждого из этих состояний.
Команда продемонстрировала свой метод на примере дрожжевой убиквитингидролазы 1 (YUH1) — фермента, который помогает грибкам перерабатывать убиквитин, белок, регулирующий различные внутриклеточные процессы.
У YUH1 есть «человеческий» аналог — убиквитин-С-терминальная гидролаза (UCHL1), которая участвует в развитии болезней Паркинсона и Альцгеймера. Объединив несколько аналитических методов с использованием ЯМР-спектроскопии, исследователи смогли создать ансамблевую карту YUH1 для изучения динамики в миллисекундном масштабе времени.
Авторы обнаружили, что два компонента фермента, расположенные рядом с активной частью, где происходит связывание белков, совершают поразительно большие движения. Это «перекрестная петля» и N-конец, то есть один из концов структуры, отвечающей за связывание белков.
Было обнаружено, что N-конец входит в петлю и выходит из нее, проходя через целый ряд состояний, прежде чем окончательно захватить целевой белок, словно лассо, а затем действовать как «запирающая крышка», удерживая его на месте. Этот новый механизм подтверждается тем, что мутантные версии с неполными «запирающими крышками» не проявляли такой же ферментативной активности. Результаты исследования показывают, что динамическая природа ферментов играет ключевую роль в их функционировании.
Метод можно применять к широкому спектру биологических структур в их естественной среде, что открывает перед учеными новые возможности для изучения базовых механизмов активности ферментов и их потенциальной роли в развитии системных патологий нервной и иммунной систем и внутренних органов человека.
Недавно российские ученые сообщили о методике терапии лейкозов путем воздействие на белковые ионные каналы в мемебранах раковых клеток.
