Протоны приводят в действие белковый портал для вывода цинка из клеток

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса расшифровали внутренний механизм работы белка YiiP, который предотвращает смертельное накопление цинка внутри бактерий. Понимание движений YiiP поможет в разработке лекарств, направленных на изменение поведения белков ZnT — восьми человеческих белков, похожих на YiiP, которые играют важную роль в секреции гормонов и передаче сигналов между нейронами.

Определенные мутации в одном из них, ZnT8, связаны с повышенной восприимчивостью к диабету 2 типа, но мутации, разрушающие его функцию, по-видимому, оказывают защитный эффект.

Резюме исследования будет опубликовано онлайн в журнале Nature 22 июня.

YiiP частично встроен в мембраны бактерии E. coli и выполняет функцию, аналогичную человеческим белкам ZnT. В предыдущем исследовании группа под руководством Дака Фу определила атомную структуру YiiP и обнаружила в его центре цинк-связывающий карман. Однако оставалось загадкой, как один карман может транспортировать цинк с одной стороны мембраны на другую.

Зная, что белок пропускает один ион водорода (протон) в клетку за каждый выводимый ион цинка, команда предположила существование скрытого канала, который открывается, позволяя ионам меняться местами.

Для проверки этой идеи и выявления сегментов белка, формирующих канал, ученые совместно с коллегами из Брукхейвенской национальной лаборатории облучили белок, погруженный в воду, интенсивными рентгеновскими лучами. Это вызвало расщепление молекул воды на атомы водорода и гидроксильные радикалы. Когда скрытый канал внутри белка открывался, гидроксильные радикалы связывались с открытыми сегментами белка, «маркируя» те, которые формируют канал.

Затем исследователи расщепили YiiP с помощью ферментов и проанализировали получившиеся фрагменты, чтобы определить состав каждого. Сравнив эти фрагменты с фрагментами YiiP, не подвергавшимися воздействию гидроксильных радикалов, ученые смогли определить, какие сегменты создают канал.

Используя эту и другую информацию, ученые смогли выяснить механизм работы белка.

Вне мембраны наблюдается избыток протонов, а внутри их концентрация ниже, что создает концентрационный градиент. Протоны стремятся «скатиться» по этому градиенту в клетку. Когда центральный карман белка-транспортера открыт наружу, протон связывается с карманом.

Движение протонов из области высокой концентрации в область низкой генерирует силу. Белок использует эту силу, чтобы изменить свою форму: он закрывает доступ кармана к внешней среде и открывает его к внутренней. Там протон продолжает своё «падение», отсоединяясь от кармана и попадая во внутреннее пространство.

После высвобождения протона карман может связаться с цинком. Это связывание снова меняет форму белка, закрывая доступ кармана внутрь мембраны и снова открывая его наружу. Затем протон вытесняет ион цинка из кармана, и цикл повторяется.

Понимание механизма работы белка, особенно того, какие сегменты за что отвечают, поможет разработать более эффективные лекарства для регулирования его активности.