Используя комбинацию инфракрасной спектроскопии и компьютерного моделирования, исследователи из Рурского университета Бохума (RUB) получили новое представление о работе белковых переключателей. С высоким временным и пространственным разрешением они подтвердили, что атом магния вносит значительный вклад в включение и выключение так называемых G-белков.
G-белки влияют, например, на зрение, обоняние, вкус и регуляцию кровяного давления. Они составляют точку приложения для многих лекарств. «Следовательно, детальное понимание их работы представляет не только академический интерес», - говорит профессор доктор Клаус Герверт, заведующий кафедрой биофизики. Вместе со своими коллегами, а именно частным лектором из Бохума доктором Карстеном Кеттингом и Даниэлем Манном, он опубликовал свои выводы в журнале Biophysical Journal. Журнал представляет тему на обложке номера, опубликованного 10 января 2017 г.
G-белки как источник болезней
GTP может связываться со всеми G-белками. Если фермент отщепляет фосфатную группу от связанного GTP, G-белок выключается. Этот так называемый гидролиз GTP происходит в активном центре ферментов в течение нескольких секунд. Если процесс не удается, могут быть запущены тяжелые заболевания, такие как рак, холера или редкий синдром МакКьюна-Олбрайта, который характеризуется, например, аномальным костным метаболизмом.
Магний важен для механизма переключения
Для гидролиза ГТФ в активном центре фермента должен присутствовать атом магния. Исследовательская группа впервые непосредственно наблюдала, как магний влияет на геометрию и распределение заряда в окружающей среде. После выключения атом остается в связывающем кармане фермента. На сегодняшний день исследователи предполагали, что магний покидает карман после завершения процесса выключения.
Новые результаты были получены благодаря методу, разработанному на кафедре биофизики РУБ. Он позволяет отслеживать ферментативные процессы с высоким временным и пространственным разрешением в их естественном состоянии. Рассматриваемый метод представляет собой особый тип спектроскопии, а именно инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье с временным разрешением. Однако данные, измеренные с его помощью, не дают никакой информации о точном месте в ферменте, где происходит процесс. Исследователи собирают эту информацию с помощью квантово-механического компьютерного моделирования структурных моделей. «Компьютерное моделирование имеет решающее значение для расшифровки информации, скрытой в инфракрасных спектрах», - объясняет Карстен Кеттинг. Компьютер, так сказать, становится микроскопом.
Как белки ускоряют процесс выключения
В текущем исследовании биофизики РУБ также продемонстрировали, каким образом специализированная белковая среда влияет на ускорение гидролиза ГТФ. Они проанализировали роль аминокислоты лизина, которая находится в одном и том же месте во многих G-белках. Он связывает именно ту фосфатную группу молекулы ГТФ, от которой фосфат отделяется при выключении G-белка.
«Функция лизина заключается в ускорении гидролиза GTP путем переноса отрицательных зарядов с третьей фосфатной группы на вторую фосфатную группу», - уточняет Дэниел Манн. «Это важная отправная точка для разработки лекарств для лечения рака и других тяжелых заболеваний в долгосрочной перспективе».