Многие биомолекулы существуют в двух версиях, которые являются зеркальным отражением друг друга, как левая и правая рука. Клетки обычно используют левостороннюю версию аминокислот для производства белков, и считалось, что механизмы поглощения разделяют это предпочтение. Ученые Университета Гронингена показали, что прокариотический транспортный белок может транспортировать обе версии аспартата аминокислоты с одинаковой эффективностью. Подробный анализ структуры транспортера показывает, почему это так. Результаты были опубликованы в журнале eLife 24 апреля.
Руководство жизни известно уже более века. Многие органические молекулы производятся в двух вариантах, которые имеют одинаковую химическую формулу и связи между атомами, но структурно являются зеркальным отражением друг друга. В ходе эволюции для одних молекул была выбрана левосторонняя версия (L), тогда как для других используется зеркальное отображение (D). Это проблема производства лекарств, когда иногда эффективна только одна версия, а другая может вызывать серьезные побочные эффекты.
Вопреки ожиданиям
«Живые организмы используют L-аминокислоты в производстве белков, но иногда они будут использовать D-аминокислоты, например, в бактериальных клеточных стенках», - объясняет профессор биохимии Гронингенского университета Дирк Слотбум. Центральная нервная система млекопитающих имеет транспортный белок для нейротрансмиттера L-глутамата, который также может транспортировать аминокислоту аспартат. «И оказывается, что он распознает как L-аспартат, так и D-аспартат».
Это противоречит ожиданиям. Поскольку L-аминокислоты являются функционально активными соединениями, для транспортных белков имело бы смысл выбирать только одну «руку». Slotboom: «Это следует из разницы в структуре. Распознавание транспортером требует, чтобы структура молекулы соответствовала сайту связывания». И точно так же, как невозможно надеть левую руку на правую перчатку, связывание D-аминокислот с транспортным белком, который эволюционировал, чтобы принимать L-аминокислоты, невозможно.
Близость
До сих пор не было проведено никаких реальных механистических или структурных исследований, чтобы объяснить, почему переносчик из центральной нервной системы, по-видимому, не поддается этой логике. Поэтому Slotboom вместе со своим коллегой Альбертом Гуськовым, доцентом и заведующим лабораторией биомолекулярной рентгеновской кристаллографии, решили заняться этим вопросом. Их научный сотрудник Валентина Архипова провела структурный анализ транспортного белка, а к.б.н. студент Джанлука Тринко выполнял функциональные исследования. Для своих экспериментов они использовали гомологичный транспортный белок, обнаруженный в микроорганизмах, который имеет сайт связывания, почти идентичный таковому у переносчика млекопитающих.
Тринко обнаружил, что L-аспартат и D-аспартат транспортируются одним и тем же путем за счет переноса трех ионов натрия. «Кроме того, сродство к обоим субстратам одинаково», - говорит он. Архипова изучала структуру сайта связывания с присоединенным L- или D-аспартатом. Она заметила, что D-аспартат приспосабливается лишь к незначительным перестройкам структуры: «Ключ в том, что имеется достаточно места для связывания D-аспартата, отличающегося по геометрии. Место связывания не похоже на перчатку, а скорее на варежку.'
Нейротрансмиттер
У микроорганизмов белок переносит только аспартат, который клетки могут использовать для построения белков, а также использовать в качестве топлива или источника азота. У млекопитающих гомологичный белок переносит глутамат в центральную нервную систему, где аминокислота используется в качестве нейротрансмиттера. Транспортный белок удаляет L-глутамат из синаптической щели, где нервный импульс передается другому нейрону.
Есть признаки того, что аспартат также может действовать как нейротрансмиттер. «Если бы это было так, то и L-, и D-аспартат могли бы выполнять эту функцию», - говорит Слотбум. «Сродство к обоим типам аспартата очень высокое. Это может указывать на определенную функцию и предполагает, что D-аспартат также используется для чего-то». Интересно, что D-глутамат не принимается транспортером. Опять же, это вопрос места: глутамат имеет дополнительную метиленовую группу по сравнению с аспартатом. «А в D-глутамате этот метилен, вероятно, вызывает столкновение с сайтом связывания». Он не влезает даже в варежку.