Молекулярные переключатели исследованы в деталях

Зрение, обоняние, вкус, регуляция кровяного давления – во всех этих процессах участвуют молекулярные переключатели. Механизм, с помощью которого эти белки выключаются, проанализировала исследовательская группа из Рурского университета в Бохуме (RUB) под руководством профессора Клауса Герверта и приват-доцента Карстена Кёттинга. С помощью инфракрасной спектроскопии (FTIR) и компьютерного моделирования они описали процесс на субатомном уровне. Отчёт опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Связанная с белками молекула энергии GTP критически важна для выключения многих белковых переключателей. Если фермент отщепляет фосфатную группу от GTP, переключатель выключается. Эта так называемая GTP-гидролиз происходит за секунды и активируется специфической аминокислотой – аргининовым пальцем. Сбой этого процесса может привести к таким заболеваниям, как холера. Исследователям впервые удалось детально описать, как работает аргининовый палец, используя комбинацию методов из областей биологии, теоретической и экспериментальной физики.

Микроскоп с субатомным разрешением

Один из методов, разработанный на кафедре биофизики RUB, позволяет наблюдать ферментативные процессы с высоким временным и пространственным разрешением в их естественном состоянии. Речь идёт о специальном виде спектроскопии – спектроскопии с временным разрешением на основе преобразования Фурье (FTIR). Однако сами по себе измеренные данные не дают информации о точном месте в ферменте, где происходит процесс. Эту информацию можно извлечь с помощью квантово-механического компьютерного моделирования структурных моделей. «Комбинируя теорию и эксперимент, мы получаем микроскоп с субатомным разрешением», – объясняет Клаус Герверт.

Используя этот подход, исследователи выяснили, как ускоряется GTP-гидролиз: быстрое выключение происходит из-за изменения положения аргининового пальца, как при щелчке пальцами.

Дефекты переключателя могут привести к раку

Этот результат имеет большое значение, так как ферментативный процесс GTP-гидролиза как молекулярного переключателя встречается очень часто. Механизмы разных переключающих процессов в организме отличаются лишь в деталях. GTP-гидролиз, например, также является переключателем для белка Ras, дефекты которого приводят к неконтролируемому росту клеток в опухолях. «Сопоставляя результаты наших анализов различных переключающих процессов, мы продолжаем раскрывать новые детали GTP-гидролиза», – говорит Карстен Кёттинг.

Исследователи использовали спектроскопию для визуализации состояния аргининового пальца, связанного с молекулой GTP, с высокой точностью – до одной сотой атомного диаметра. Щелчок аргининового пальца оказывает значительное влияние на геометрию и распределение заряда у партнёра по связи. «Наша долгосрочная цель – чтобы наше фундаментальное исследование внесло вклад в разработку лекарств для лечения рака и тяжёлых генетических заболеваний», – заключает член команды Даниэль Манн.