Фермент аденилаткиназа имеет решающее значение для управления энергетическим балансом клеток, ускоряя биохимический процесс, посредством которого энергия сохраняется или высвобождается. Фермент постоянно переходит из открытого в закрытое состояние. В своей закрытой форме аденилаткиназа особенно биохимически активна и, таким образом, способна ускорять химическую реакцию «пристыкованных» молекул, которые она заключила в оболочку, как моллюск. Их называют лигандами. Исследователям из университетов Констанца (Германия) и Умео (Швеция) удалось создать структурную модель атомного состава фермента в его закрытом состоянии, включая встроенный лиганд.
С помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и рентгеновской кристаллографии была получена структурная информация о ферменте в его закрытом состоянии - информация, то есть о точном моменте, когда фермент биохимически особенно активен. Особая хитрость была необходима, прежде всего, для облегчения структурного анализа закрытого состояния фермента. Результаты исследования, дающие важную информацию о биохимических механизмах, управляющих энергетическим балансом клеток, были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Фермент аденилаткиназа открывается и закрывается, как моллюск: он открывается, чтобы получить лиганд, и закрывается, чтобы «обработать» его биохимически. После этого он снова открывается, чтобы освободить его и принять следующий лиганд. Это происходит 340 раз в секунду - слишком быстро, чтобы отображать отдельные этапы процесса с помощью структурного анализа. Для структурных биологов получение информации о закрытом состоянии фермента именно в тот момент процесса, когда достигаются пики биохимической активности, имеет огромное значение. Профессор Майкл Коверманн, младший профессор магнитно-резонансной спектроскопии Констанцского университета, нашел способ сделать это возможным. Он ввел дисульфидную связь в качестве своего рода «химической нити», чтобы заставить фермент принять закрытую форму и удержать его в этом состоянии. Фермент остается именно в этом положении, что позволяет исследователям анализировать его с помощью ЯМР-спектроскопии и рентгеновской кристаллографии. Коверманну впервые удалось получить изображения того момента, когда фермент биохимически перерабатывает лиганд.
Двумя годами ранее ему уже удалось получить структурные изображения фермента в его открытом состоянии и с уже установленным лигандом. «Прелесть этого заключается в том, что теперь мы можем отображать как пороговые состояния, так и делать структурные данные общедоступными», - говорит Коверманн..
Его трюк с захватом фермента в закрытом состоянии теперь можно использовать в дальнейших исследованиях. Состояние фермента можно контролировать, присоединяя или удаляя дисульфидную связь. Анализы Коверманна уже показали, что сродство фермента к реакции - химическое притяжение между ферментом и его лигандом - увеличивается во много раз в закрытом состоянии, тогда как его продуктивный оборот уменьшается с той же скоростью. Другими словами: Химическая активность между лигандом и ферментом особенно высока в закрытом состоянии. Но оборот уменьшается, потому что лиганд не может покинуть закрытую «раскладушку», что означает, что через фермент проходит меньшее количество лигандов.
Коверманн также смог доказать, что структурная динамика аденилаткиназы сильно зависит от взаимодействия между ферментом и лигандом, то есть от присутствия или отсутствия лиганда. Для этого он сравнил закрытое состояние фермента для обоих вариантов, с захваченным лигандом и без него. В отсутствие лиганда динамика закрытого фермента остается неизменной по сравнению с его открытым состоянием. Однако при наличии лиганда можно наблюдать заметные изменения. «Такое поведение противоречит здравому смыслу, это не то, что можно было бы ожидать», - объясняет Майкл Коверманн.«Только благодаря ЯМР-спектроскопии мы смогли задокументировать этот удивительный результат».