Движения кальциевого насоса запечатлены в действии

Действие кальциевого насоса — сложной молекулярной машины с несколькими подвижными частями, которая помогает контролировать мышечное сокращение, — было детально описано биофизиками RIKEN с исключительной точностью. Результаты, предоставляющие схему структурных изменений во время работы белка, могут помочь в разработке новых методов лечения скелетных миопатий и болезней сердца.

Движение мышц — это, по сути, процесс, управляемый кальцием. Когда мышечная клетка получает сигнал к сокращению от связанных с ней нервов, она высвобождает поток ионов кальция из специального внутриклеточного хранилища — саркоплазматического ретикулума. Эти ионы затем приводят в действие молекулярные моторы мышцы, стимулируя сокращения до тех пор, пока кальций не будет удалён.

Здесь вступает в работу кальциевый насос. После активной волны кальций-индуцированной активности насос использует энергию в форме аденозинтрифосфата (ATP), чтобы вернуть ионы кальция в их внутриклеточное хранилище.

Ранее учёные полагались на структурные и биохимические методы, чтобы понять, как кальциевый насос осуществляет этот молекулярный манёвр. Однако структурные методы дают лишь моментальные снимки белка в работе, а биохимические эксперименты указывают на молекулярные состояния, важные для его функции. Эти методы дают хорошее представление о том, как насос выглядит до и после выполнения своей задачи по транспорту кальция.

Промежуточные шаги, однако, оставались загадкой — до тех пор, пока Юдзи Сугита из Центра вычислительных наук RIKEN и его коллеги не определили промежуточные формы насоса с помощью молекулярно-динамического моделирования. «Наши вычислительные исследования заполнили такие пробелы в информации и могут дать новое понимание молекулярных механизмов ионного транспорта», — говорит Сугита.

Используя сложные компьютерные модели, учитывающие структурные изменения и энергетические профили, исследователи идентифицировали несколько переходных состояний. Они также продемонстрировали, как быстрый обмен ионов кальция на протоны на внутренней стороне насоса критически важен для высвобождения кальция в саркоплазматический ретикулум.

Сугита впервые начал изучать движения кальциевого насоса в начале 2000-х, но его методы по современным меркам были довольно простыми, и он мог получить лишь грубое представление о динамической природе белка. Свой нынешний успех Сугита связывает с улучшением методов моделирования и программных инструментов, а также с доступом к суперкомпьютерным ресурсам RIKEN.

С дальнейшими инновациями Сугита надеется раскрыть ещё больше структурных секретов насоса. В комментарии к исследованию команды Сугиты говорится, что их работа «предоставляет возможности для экспериментаторов, теоретиков и специалистов по моделированию; их детальная картина углубляет наше текущее понимание и указывает на следующий уровень».