Российские биофизики из МФТИ вместе с немецкими и французскими коллегами из исследовательского центра Юлих, Института Макса Планка и Института структурной биологии выдвинули гипотезу о том, как устроен процесс переноса натрия через клеточную мембрану, и опубликовали об этом статью в журнале FEBS Letters. Получившийся анализ структуры светочувствительного натриевого насоса KR2 имеет важное значение для оптогенетики – методики, позволяющей изучать отдельные клетки нервной системы при различных нейродегенеративных заболеваниях.
В далеком 2002 году учёные под руководством Эрнста Бамберга и Питера Хегеманна показали, что с помощью оптогенетики можно управлять разностью потенциалов по разные стороны клеточной мембраны в клетках зелёных водорослей. Затем за следующие несколько лет выяснилось, что такой подход можно применять не только на отдельных клетках в культуре, но и на целых организмах (например, мышах).
«Мягкие» насосы вместо «диких»
Для перекачивания ионов учёные использовали три вида насосов. Первый — неспецифичные каналы (например, канальный родопсин). Под действием света они пропускают определенные положительные ионы, но при этом специфичность ворот (чтобы пропускали только калий или натрий, например) отсутствует. Второй — разнообразные галородопсины, пропускающие через мембрану только отрицательные ионы хлора. Третий — протонные помпы, которые могут переносить через клеточную оболочку протоны. Проблема в том, что первых двух типов насосов недостаточно, чтобы с хорошей точностью управлять нервным сигналом, а третий тип насосов плохо влияет на клетку — он меняет pH цитоплазмы, что плохо сказывается на работе её внутренних механизмов.
Для более мягкой «разрядки» лучше использовать насосы, перекачивающие только ионы калия или натрия, которые сами нейроны для этого обычно и используют. Использовать «дикие» насосы, взятые прямо из экзотической бактерии, не всегда получается — часто необходимо модифицировать их таким образом, чтобы они обладали чувствительностью только к определённому диапазону длин волн (или, проще говоря, реагировали на определённый цвет излучения). Или нужно сделать так, чтобы они пропускали через себя другой тип ионов. Для того, чтобы иметь возможность создавать такие модификации, важно знать структуру и механизм работы этих насосов.
Да будет свет ион
Роль натриевого насоса KR2, открытая учеными, в механизме преобразования энергии света в нервный импульс выглядит так:
Механизм работы белка KR2. Всё начинается с попадания света на ретиналь (вверху картинки). Фиолетовым показан ион натрия.
Изображение любезно предоставлено авторами исследования
Под действием света ретиналь (светочувствительный элемент в структуре насоса) изменяется, открывая доступ молекуле натрия внутрь белка. Как только ион натрия входит в полость белка, его конформация снова меняется, закрывая обратный ход для натрия. Ему остается двигаться только вперед. Когда натрий выходит наружу, белок полностью возвращается к исходному положению и обретает готовность к поглощению следующего фотона.
Так же авторы проанализировали, как на работу насоса влияет объединение ретиналя в олигомеры — группы из нескольких молекул белков, находящихся близко друг к другу (конкретно этот белок формирует пентамеры — комплексы из пяти молекул).
Мономер (слева) и пентамер (справа) белка KR2. В пентамере пять одинаковых молекул объединены в один большой комплекс, что немного влияет на структуру каждого из них.
Изображение: пресс-служба МФТИ
Выяснилось, что ширина «ворот» для прохода иона у белков в таких комплексах чуть больше, чем у одиночного KR2 — 12 ангстрем против 10. При этом у других насосов с известными структурами, ответственными за перенос протона, тоже можно измерить подобное расстояние, и оно окажется меньше, чем у KR2.
Мы предполагаем, что величина около 12 ангстрем может быть минимальным значением для того, чтобы белок мог переносить заряженный ион вместо протона. Зная это пороговое значение, мы можем при помощи компьютерных методов модифицировать другие насосы таким образом, чтобы они пропускали нужные нам ионы. Разумеется, для этого требуется настройка еще в ряде ключевых мест в белке
Виталий Шевченко, автор статьи и научный сотрудник лаборатории перспективных исследований мембранных белков МФТИ.