Все клетки с ядрами, от дрожжей до человека, организованы подобно городам, с множеством маленьких отсеков—органелл, которые служат фабриками, где выполняются различные виды работ. Некоторые из этих фабрик, такие как те, что расщепляют и перерабатывают молекулы, должны постоянно накачивать протоны—атомы водорода с их ободранными электронами—чтобы поддерживать кислую среду, в которой они нуждаются для выполнения своей работы. Для этого они полагаются на молекулярные колеса обозрения.

Встроенные в жировую наружную мембрану органеллы, эти микроскопические машины имеют роторы, которые вращаются 100 раз в секунду, подбирая протоны снаружи органеллы и сбрасывая их внутрь.

Теперь ученые выяснили ключевой шаг в том, как эти чертовы колеса работают в дрожжевом протонном насосе, известном как вакуолярная АТФаза (V-АТФаза). Результаты их исследования, которые объединили изображения высокого разрешения, сделанные в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, с суперкомпьютерными моделями, были опубликованы сегодня в журнале Science Advances, что дало ученым представление о фундаментальном процессе, который потенциально может быть использован для предотвращения заболеваний.

"Протонные насосы V-АТФазы выполняют широкий спектр функций, от помощи в передаче нервных сигналов до помощи специализированным клеткам выделять кислоту для поддержания костной ткани",-сказал Стефан Уилкенс, биохимик из Медицинского Университета штата сани и соавтор исследования. "Сбои в работе этих молекулярных машин способствуют развитию таких заболеваний, как остеопороз, нейродегенерация, диабет, рак и СПИД, поэтому понимание их очень важно для здоровья человека."

Вах Чиу, профессор SLAC и Стэнфорда и содиректор Криоэмиссионных установок Stanford-SLAC, где была сделана визуализация, сказал, что ученые уже исследуют, как эти насосы в клетках человека могут влиять на репликацию вируса, вызывающего COVID-19, у пациентов. "Оказывается, большинство терапевтических препаратов на рынке нацелены на молекулярные машины, подобные этой, которые сидят в клеточных мембранах", - добавил он.

Наблюдая за вращением колеса

Ни одна человеческая клетка не может функционировать без протонных насосов, которые, помимо прочего, помогают органеллам перехватывать вирусы и другие патогены и направлять их в клеточные мусорные баки.

В то время как предыдущие исследования определили молекулярную структуру и основную функцию V-АТФазы в ряде организмов, Уилкенс сказал: "большой вопрос заключается в том, как они работают? Чтобы объяснить механизм, полезно увидеть его в действии, точно так же, как первые серийные снимки скачущей лошади окончательно разрешили вопрос о том, всегда ли у нее было хотя бы одно копыто на земле. Ответ был отрицательным."

В более ранних исследованиях крио-ЭМ Чиу, Уилкенс, Слак/ Стэнфордский постдокторский исследователь Сун-Хун Ро и другие получили изображения с высоким разрешением, которые позволили им идентифицировать 10 аминокислотных "мест" на колесе обозрения дрожжей, которые связывают протоны и переносят их через мембрану внутрь органеллы, а также другие аминокислоты, которые ловят их, когда они прибывают. Основываясь на этой картине, они предположили, что падение Протона может быть вызвано молекулами воды, но их изображения были недостаточно четкими, чтобы подтвердить, что молекулы воды были там.

В текущем исследовании, благодаря еще одному раунду крио-ЭМ-визуализации с еще более высоким разрешением в SLAC, они смогли обнаружить молекулы воды вокруг предполагаемого протонного пути. Чтобы заставить двигатель протонного насоса ожить, исследовательская группа под руководством Абхишека Сингхароя из Института биодизайна Аризонского государственного университета разработала компьютерное моделирование процесса и запустила его на суперкомпьютере DOE в Национальной лаборатории Ок-Риджа.

Моделирование, включавшее криоэмиссионные структуры, полученные из изображений дрожжевого колеса обозрения, снятых в двух различных точках его вращения, подтвердило экспериментально наблюдаемые молекулы воды, выстраивающиеся в линию, чтобы сформировать "провода" в точке падения Протона. Эти провода передают протоны от их сидений на чертовом колесе к посадочным местам внутри органеллы, как пожарная команда, передающая ведра из рук в руки, преодолевая разрыв, который они не могли преодолеть самостоятельно.

В дальнейшем, сказал Чиу, последние достижения в области криоэмиссии, которые позволяют визуализировать отдельные частицы с атомным разрешением-даже когда они принимают немного различную форму—откроют новые возможности для использования его в качестве инструмента для обнаружения эффективных лекарств от болезней, связанных с протонными насосами.

ИСТОЧНИК