Ложка сахара может снизить действие лекарства, но понять, что происходит с этим сахаром в клетке, гораздо сложнее, чем простое пищеварение, считают исследователи. Чтобы сахара метаболизировались и снабжали клетки энергией, ряд ферментов - биологических катализаторов - должен, в свою очередь, расщеплять реагент. В этом случае исследователи использовали глюкозу, сахар, содержащийся в кукурузном сиропе, и один из двух сахаров, образующихся при расщеплении столового сахара - сахарозы..
В этом каскаде первый фермент воздействует на глюкозу, поступающую в клетку, а последующие ферменты воздействуют на последующие продукты. При этом расходуются две молекулы аденозинтрифосфата - АТФ, но образуются четыре. Гидролиз АТФ приводит в действие многие клеточные процессы для поддержания жизнеспособности клетки. Подобные каскады ферментов отвечают за многие метаболические процессы в организме.
Ферменты, участвующие в таких путях реакции, в некоторых случаях, как было показано Полом Срере (покойным), Юго-западной медицинской школой Техасского университета, образуют внутриклеточные обратимые комплексы, называемые метаболонами. Близость ферментов друг к другу облегчает ряд реакций, которые они катализируют. Одним из таких примеров является пуриносома, обнаруженная профессором Университета Эвана Пью и заведующим кафедрой химии Эберли в лаборатории Стефана Дж. Бенковича в Пенсильвании, которая состоит из шести ферментов, участвующих в биосинтезе пуринов.
Исследователи задались вопросом, может ли одним из факторов, способствующих образованию метаболонов, быть градиент химических веществ, генерируемых участвующими ферментами. Они сообщают о своих результатах в Nature Chemistry.
«Некоторое время назад мы обнаружили, что простые молекулы катализатора, такие как ферменты, также могут хемотаксизировать градиент реагента», - сказал Аюсман Сен, выдающийся профессор химии из Пенсильванского университета. «Они движутся к все более и более высоким концентрациям реагента».
Это движение называется хемотаксисом, когда отдельные молекулы мигрируют по градиенту концентрации других молекул.
"Все живые существа хемотакс", - сказал Сен. "Если вы проголодались и вдруг почувствовали запах картофеля фри, вы попытаетесь пройти в сторону картофеля фри. концентрация молекул запаха картофеля фри, пока вы не окажетесь у прилавка с картофелем фри."
В своем исследовании ученые использовали только первые четыре фермента гликолитического пути - гексокиназу, фосфоглюкозоизомеразу, фосфофруктокиназу и альдолазу. Эти четыре шага фактически потребляют АТФ. Чтобы изучить движение ферментов, исследователи использовали флуоресцентную метку гексокиназы и альдолазы, первого и четвертого ферментов в пути. Каждый из них был помечен различным флуоресцентным красителем, чтобы можно было проследить движение обоих ферментов.
Они рассмотрели три случая - нормальная реакция, когда гексокиназа фосфорилирует глюкозу; реакция гексокиназы с маннозой, сахаром, который связывается сильнее, но имеет более низкую скорость реакции; и, наконец, с L-глюкозой, формой глюкозы, которая не используется гексокиназой. Для фосфорилирования требуется АТФ. В присутствии фосфоглюкозоизомеразы - второго фермента - и фосфофруктокиназы - третьего фермента - образуется реагент для альдолазы.
Исследователи заметили, что альдолаза движется к гексокиназе в их эксперименте с потоком, показывая, что альдолаза хемотаксизирует градиент реагентов, создаваемый функционированием первых трех ферментов в пути. Хемотаксис был наибольшим с D-глюкозой, меньшим с маннозой и не наблюдался с L-глюкозой.
Теоретическое моделирование движения фермента качественно предсказало степень движения фермента.
Исследователи также рассмотрели, будет ли происходить хемотаксис ферментов в модели исключительно переполненной внутриклеточной среды. Они добавили вещество с большой молекулярной массой, чтобы имитировать такую скученность. Хемотаксис все еще имел место, но более медленными темпами.
«Хемотаксис вдоль химического градиента может быть фактором сборки кластеров ферментов, таких как метаболоны», - сказал Бенкович. «По-прежнему ожидается, что другие факторы, такие как нековалентные взаимодействия, будут вносить свой вклад».
Разрешение исследовательского прибора, однако, было недостаточным, чтобы продемонстрировать в этом случае, что четыре фермента собираются в метаболон. Исследователи наблюдали образование больших агрегатов ферментов, но не могли продемонстрировать, что они являются функционирующими метаболонами.