Транспортный белок эффективно использует три независимых лифта для доставки груза

Учёные из Гронингенского университета с уникальной детализацией определили структуру транспортного комплекса, который бактерии используют для импорта аспартата. Белки визуализировали с помощью крио-электронной микроскопии. Результаты показывают, что транспортер работает очень эффективно. Это особенно интересно, поскольку аналогичный транспортер жизненно важен для передачи сигналов между клетками человеческого мозга. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications 21 февраля.

Клетки используют множество транспортных белков для перемещения веществ через свои мембраны: импортируется пища и строительные блоки, экспортируются токсины и отходы. Один из примеров — транспортер аспартата, который бактерии используют для импорта этой аминокислоты. Исследовательская группа Membrane Enzymology под руководством профессора Дирка Слотбума и группа Structural Biology под руководством доктора Альберта Гускова в Гронингенском институте биомолекулярных наук и биотехнологии изучали этот транспортер несколько лет, отчасти потому, что он является хорошей моделью для человеческого транспортера, удаляющего нейромедиатор глутамат из синаптической щели — жизненно важного этапа в работе наших мозговых клеток.

Грузовой лифт

Транспортер аспартата в бактериальных мембранах представляет собой тример, то есть три идентичные субъединицы плотно соединены в один комплекс. Аспартат захватывается из окружающей среды, транспортируется через клеточную мембрану и высвобождается внутри клетки. Этот переход обеспечивается тремя ионами натрия на субъединицу, что можно сравнить с грузовым лифтом: аспартат и ионы натрия связываются с частью транспортного белка, которая затем перемещается внутрь клетки. После доставки аспартата она возвращается обратно.

«Ранее мы определили структуру комплекса с аспартатом с помощью рентгеновской кристаллографии», — объясняет Слотбум. Эти исследования показали, что три «лифта» в комплексе всегда находились в одном и том же положении. «Однако биохимические данные указывали на то, что они могут работать независимо друг от друга». Поэтому было решено изучить транспортный комплекс в более естественной среде — внутри мембраны. Это сделали с помощью крио-электронной микроскопии.

Вопросы

Белки поместили в небольшие участки липидных бислоев, удерживаемые белковым поясом. Эти липидные нанодиски быстро заморозили и изучили в крио-электронном микроскопе. Объединив большое количество изображений, транспортный комплекс визуализировали с разрешением 3.2–3.5 ангстрема.

«То, что мы увидели, сильно отличалось от структур, полученных с помощью рентгеновской кристаллографии: в большинстве комплексов лифты находились в разных положениях, что согласуется с независимыми движениями», — говорит Валентина Архипова, постдок в группе Слотбума и первый автор статьи. Это ставит вопрос, зачем белку формировать тримерный комплекс. Архипова: «Часть каждого лифта, выполняющая движение, нуждается в опоре для перемещения через мембрану. Одинокий лифт, закреплённый в мембране, может начать шататься. Но три лифта со связанными якорями образуют стабильную структуру».

Утечка

Другая возможность заключается в том, что якорная часть тримера делает окружающую мембрану немного тоньше и менее жёсткой, что облегчает прохождение лифта. «Мономер оказывал бы этот эффект только с одной стороны, что энергетически менее выгодно», — объясняет Слотбум. Действительно, исследования липидных нанодисков, содержащих транспортный комплекс, показывают изгиб бислоя.

Структуры также дают представление о том, как транспортная система предотвращает утечку натрия. Слотбум: «У лифта есть своего рода дверь, которая, будучи открытой, выступает и не даёт лифту двигаться». Транспортный процесс сначала требует, чтобы два иона натрия вошли в лифт. Затем внутри может связаться отрицательно заряженный аспартат, что позволяет третьему иону натрия войти и связаться с дверью, закрывая её. Таким образом, лифт не может транспортировать только натрий, что предотвращает рассеивание градиента натрия через мембрану, который и обеспечивает транспорт.

Мозг

«Это делает систему очень эффективной», — говорит Слотбум. Для бактерий эта эффективность может быть лишь небольшим селективным эволюционным преимуществом. Однако для аналогичного транспортера глутамата в нашем мозге это жизненно важно. Глутамат выделяется нервными клетками в синаптическую щель, где он возбуждает соседний нейрон. После возбуждения его необходимо удалить очень быстро и эффективно, чтобы снизить шум в передаче сигнала. Слотбум: «Для этой системы жизненно важно, чтобы утечки не было».