Обнаружен гемовый канал

Клетка в организме или органелла внутри неё в некотором смысле похожа на древний город со стенами. Жизнь внутри зависит от разумности привратников.

Если в город проникнет слишком много варваров, его могут предать огню. Если клеточные "привратники" не могут контролировать поток ионов и молекул внутрь и наружу, клетка может погибнуть.

Из-за своей важности клеточные ворота, каналы и транспортеры являются объектом пристального научного интереса.

Одно из веществ, которое должно пересекать клеточную мембрану, — молекула гема. Она играет ключевую роль в снабжении клетки энергией для химических реакций, поддерживающих жизнь.

Хотя гем синтезируется внутри бактерии или органеллы, его необходимо вывести наружу и встроить в белок, чтобы он стал функциональным. Кроме того, из-за химической уязвимости гема его нужно защищать во время этого "мини-путешествия".

В начале этого года учёные из Вашингтонского университета в Сент-Луисе обнаружили канал, присутствующий у растений и многих бактерий, который одновременно переносит и защищает гем. Работа, выполненная аспиранткой Элейн Фроли и профессором биологии Робертом Кранцем, недавно опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Что такое гем?

Гем — это кольцо из атомов, удерживающее атом железа, подобно тому, как оправа удерживает бриллиант в кольце.

Телу нужно железо, потому что оно легко принимает и отдаёт электроны, что делает его полезным для различной клеточной химии. Но, по той же причине, свободное железо участвовало бы в разрушительных химических реакциях, побочные продукты которых могут убивать клетки. Это одна из причин, почему железо обычно связано в геме или других белках.

Гем — важнейший компонент двух типов молекул. Первый — гемоглобин, который связывает кислород в лёгких и переносит его по телу.

Более половины гема в организме находится в гемоглобине, но часть остального — в гемопротеинах, называемых цитохромами. Они являются частью цепи молекул, встроенных в мембраны клеточных органелл, которые извлекают энергию из пищи.

Молекулы в этой цепи извлекают электроны из молекул сахара, забирая немного их энергии, и передают следующей молекуле, которая также забирает немного энергии, и так далее.

Кранц посвятил большую часть своей карьеры изучению молекулярной машинерии, создающей цитохром c — один из важнейших таких белков. Существует несколько версий этой машинерии, но гемовая группа всегда собирается в защищённой среде внутри органеллы или бактерии, а затем перемещается наружу, где встраивается в белок цитохрома c, находящийся на внешней стороне клеточной мембраны.

Захват гема в белке-канале

Чтобы выяснить, как гем пересекает мембрану, Фроли использовала безвредный штамм кишечной бактерии Escherichia coli. Но это была особая E. coli, собственная машинерия для создания цитохрома c которой была удалена и заменена на машинерию, взятую у Helicobacter hepaticus — недавно обнаруженной бактерии, способной вызывать гепатит.

Система Helicobacter для создания цитохрома включает гигантский белок CcsBA, который многократно прошивает клеточную мембрану, оставляя с обеих сторон беспорядочные петли, как стежки швейной машины с неправильной настройкой натяжения.

Части молекулы, проходящие через мембрану, называются трансмембранными доменами.

Захватив гем внутри изолированного белка-канала, Фроли показала, что два трансмембранных домена объединяются, образуя канал для гема.

Белки, встроенные в клеточную мембрану, такие как CcsBA, трудно изучать, объясняет Кранц. Мембрана — это липид (жир), поэтому попытка извлечь мембранный белок похожа на мытьё жирной посуды в холодной воде. Фроли пришлось использовать детергенты для выделения белка, и даже тогда ей потребовался год или два, чтобы очистить достаточное количество белка для работы.

Но затем наступил момент озарения. «Когда я получила достаточно чистого белка и сконцентрировала его в пробирке, я увидела, что он окрашен в красный цвет — цвет гема», — говорит Фроли. Это говорило мне, что я захватила гем в белке-канале. Я была в восторге!»

Чтобы убедиться, что её глаза не обманывают, она проанализировала образец спектроскопически и подтвердила, что он действительно поглощает свет на длинах волн, характерных для гема.

Защитники гема

Но это ещё не конец истории. Гем — это всего лишь строительный блок, часть, а не целое. Как детали лампы или стола, которые вы покупаете в картонной коробке и должны собрать сами, у него есть «выступы», которые нужно защищать, пока их нельзя будет вставить в соответствующие «отверстия» другой детали.

«Выступами» являются доступные электроны, и проблема с гемом заключается в предотвращении его окисления (отдачи некоторых из его свободных электронов) до того, как он будет встроен в ожидающий цитохром. Только неокисленная форма может образовать правильные связи с предшественником цитохрома на внешней стороне клетки. Но пока гем проходит через канал и до связывания с цитохромом, он подвергается воздействию агрессивной окислительной среды.

Как он защищён в пути? Фроли и Кранц знали, что некоторые части мембранного белка CcsBA высококонсервативны, то есть эволюция не меняет эти участки, как бы ни изменяла остальной белок. Они предположили, что эти консервативные фрагменты — четыре копии аминокислоты гистидина — являются молекулами-защитниками, которые предохраняют гем от окисления.

Когда Фроли мутировала гистидины на внутренней стороне мембраны, спектр поглощения белка показал, что он перестал функционировать. Белок-гемовый канал больше не мог связывать гем и переносить его наружу.

«Это ключевой момент статьи, — говорит Кранц. — Существует гемовый канал, и гистидины должны быть там, чтобы и связывать гем, и защищать его от окружающей среды».

Чтобы доказать, что проблема в мутировавших гистидинах, она добавила имидазол — небольшое соединение, химически идентичное части гистидина, — в культуры E. coli. Имидазол починил сломанный канал, и E. coli снова начала производить цитохром.

Фокус с имидазолом, говорит Кранц, «вероятно, самый крутой результат за 23 года работы в моей лаборатории».