Мембранні білки зловили в нанодіскі

Замінивши «мило» на ліпідні нанодіскі, біофізики з МФТІ змогли побачити мембранний білок в природному стані.

Будь-яка білкова молекула - це ланцюжок з амінокислот, які збудовані в певному порядку. Їх порядок для одного білка один, для іншого - інший, і т. Д. Однак жоден білок не існує у вигляді рівної амінокислотної «мотузки». Амінокислоти, підкоряючись фізико-хімічними силам, взаємодіють між собою, притягуються і відштовхуються, і в результаті білкова молекула згортається в складну тривимірну структуру.

Структура білка бактериородопсина: та частина білка, яка знаходиться між синьою і червоною лініями, занурена в мембрану, то, що вище червоної лінії, визирає з клітки в зовнішнє середовище. (Ілюстрація: Wikipedia .)

1. Мембранні білки, що живуть в оболонці клітини. 2. Ті самі білки в нанодісках, стягнуті білковим «поясом». 3. Білковий кристал. 4. Молекулярна структура, отримана методом рентгенівської дифракції. (Ілюстрація: МФТІ.)

Молекула білка в середовищі для кристалізації втрачає нанодіск навколо себе і стягує її білковий «пояс» і отримує можливість перетворитися в кристал. (Ілюстрація: M. Nikolaev et al., Cryst. Growth Des. 2017, 17 (3), pp 945-948.)

<

>

Саме тривимірна структура визначає функції білка - чи буде він розщеплювати цукру, або жирні кислоти, або буде пов'язувати якісь метали, або буде взаємодіяти з іншими білками. Буває, що функцій у білка кілька, але в будь-якому випадку він може виконувати свою роботу тільки завдяки тривимірну структуру. І щоб дізнатися, як він працює, ми повинні цю саму структуру знати у всіх деталях.

Можна, з одного боку, спробувати передбачити просторову структуру білка по послідовності амінокислот, яку визначити досить легко. Але Предсказательная методи, хоча серед них є досить ефективні, часто промахуються повз ціль. З іншого боку, можна розглянути сам згорнутий білок. Але для цього його потрібно перетворити в кристал, і потім, за допомогою рентгеноструктурного аналізу і спеціальних математичних методів, ми зрозуміємо, як він виглядає. І тут, вже якщо ми щось побачили, то побачили.

Однак проблема в тому, як закристалізуватися той чи інший білок. Якщо мова йде про білки, які працюють у водному розчині, на кшталт якогось ферменту або глобіну, то з ними все відносно просто: в кристалі вони зберігають переважно ту ж просторову структуру, що і в розчині (тут є деякі тонкощі, пов'язані з тим , що молекули білків, взагалі кажучи, весь час ніби «дихають» - їх просторова структура мерехтить, але в цілому рухливість тих або інших частин молекули можна визначити по кристалічній структурі). Такі водорозчинні білки, до речі кажучи, в більшості випадків нагадують дуже рельєфну «картоплю», тільки глобінових «картопля» виглядає інакше, ніж «картопля» якого-небудь ферменту протеази.

Однак існує інший клас надзвичайно цікавих білків, для яких отримати кристал не так-то просто. Йдеться про мембранних білках, а складність з ними в тому, що деякі частини їх молекул занурені в ліпідну мембрану, а деякі стирчать з мембрани в водний розчин. Якщо витягнути липидную частина в воду, її просторова структура зміниться, і це вже буде не зовсім той білок, який виконує свою роботу в мембрані. А серед таких білків можна назвати рецептори, за допомогою яких клітина дізнається, що робиться зовні, і сигнальні білки, які часто пов'язані з рецепторними і які передають сигнал із зовнішнього середовища всередину, і транспортні білки, переправляють різні речовини в клітину і з неї. Якщо говорити про їх практичне значення, то 70% існуючих у продажу ліків діють саме на мембранні білки. Словом, дуже і дуже багато в нашому житті залежить від мембранних білків, а вивчати їх дуже і дуже важко: на даний момент відомі структури всього 3% мембранних білків з семи тисяч.

Один із способів зберегти справжню (або, якщо говорити більш коректно, нативну, природну) структуру мембранного білка - створити для нього таке середовище, в якій він відчував би себе, як до рідного ліпідної мембрані. Для цього застосовують спеціальні нанодіскі, ідею яких запропонував в 2002 році Стівен Слігар з Іллінойського університету в Урбана-Шампейн: мембранний білок вбудований в нанодіск, що імітує ділянку клітинної мембрани, а оскільки такий диск не дуже стійкий, його ще стягують допоміжним білковим «поясом». (Подібні «поясні» білки використовуються в нашому організмі, щоб транспортувати «оберемки» ліпідних молекул і холестерину по кровоносних судинах.)

Працюючи з мембранним білком, укладеними в нанодіск, можна вивчати, як він реагує на різні речовини. Це простіше, ніж працювати з цілою клітиною, по поверхні якої плаває маса різнорідних мембранних білків (не кажучи вже про той випадок, коли ми маємо справу з білками клітинних мембранних органів - мітохондрій, ендоплазматичної мережі і т. Д.).

Але якщо нам потрібен кристал, то все одно перед нами стоїть завдання витягти білок назовні з нанодіска. Зазвичай тут використовують детергент, який, діючи, як звичайне мило, розчиняє нанодіск, але одночасно стабілізує сам білок. Однак білок все одно виявляється в іншому оточенні, все-таки детергент - це не ліпідні молекули мембрани і не схожий на неї нанодіск; він якось видозмінюється, пристосовуючись до детергентів, так що все одно виникає проблема ненатуральної структури.

Дослідники з лабораторії перспективних досліджень мембранних білків Московського фізико-технічного інституту разом з колегами з Дослідницького центру Юліх і Інституту структурної біології Гренобля знайшли спосіб вирішити проблему. У своїй статті, опублікованій ACS Crystal Growth & Design , Вони пишуть, як можна отримати кристали мембранного білка, що не занурюючи його в далеке оточення. Кристалізація завжди відбувається в якійсь середовищі, і від того, з чого це середовище складається, залежить і якість кристала, і то, чи вийде він взагалі.

Зазвичай, як ми сказали вище, білки кристалізують з водного розчину, в якому плавають різноманітні речовини, що допомагають білкових молекул сформувати кристал. Але в новому методі білки кристалізувалися в ліпідної середовищі. Таке середовище, по-перше, розчиняла нанодіскі навколо білкових молекул, по-друге, не псувала їм просторову структуру - білки з'єднувалися один з одним в кристал саме в такому вигляді, в якому вони роблять свою роботу, сидячи в клітинній мембрані.

Дослідники перевірили свій метод на бактеріородопсин (фоточутливому мембранном білку), структура якого відома - і виявилося, що структурний «портрет», отриманий за допомогою нового способу кристалізації, повністю відповідає тому, що ми знали про бактеріородопсин раніше. Сама стаття виявилася журнальної cover story (т. Е. Редакція визнала її найкращою серед усіх матеріалів місяці і помістила ілюстрацію з неї на обкладинку номера), а нас, можливо, незабаром очікує цілий потік нових відомостей про різноманітних мембранних білків, чию структуру і функції вдалося розшифрувати завдяки цьому новому способу кристалізації.

За матеріалами прес-служби МФТІ