Молекулярная машина — в мембране клеток

Глутаминовая кислота не только входит в состав белков, но также в ионизированной форме (глутамат) участвует в передаче электрохимического импульса от одного нейрона к другому или от нейрона к мышечным клеткам. Иными словами, глутаминовая кислота работает молекулой-посредником (нейромедиатором). Под действием нервного импульса эта аминокислота высвобождается из одной нервной клетки и связывается со специальными рецепторными белками на мембране другой клетки, запуская в ней последовательность биохимических реакций, которые приводят к ее возбуждению. Вскоре после этого глутамат должен обратно вернуться в свою клетку. В этом ему помогают специальные белки-транспортеры, встроенные в мембрану. Нарушение транспорта нейромедиатора приводит к проблемам с обучением и памятью. Поэтому ученые пытаются понять механизм работы глутаматного транспортера.

Исследователям из университета Сиднея (Австралия) удалось «увидеть» переносчик глутамата и понять, как он переносит вещество. Сделали они это при помощи криогенной электронной микроскопии, которая позволяет «рассмотреть» строение молекул вплоть до атома. Раньше структуру белков определяли с помощью рентгеновской кристаллографии. Для этого нужно было получить хорошо организованные белковые кристаллы. Но это не всегда получается, поскольку не все белки образуют кристаллы. Особенно плохо кристаллизуются мембранные белки. Кроме того, белок в кристалле видоизменен. А криогенная электронная микроскопия позволяет исследовать белки в растворе, то есть в условиях, наиболее приближенных к природным.

В 2017 году за разработку этого метода три ученых из Швейцарии, США и Великобритании получили Нобелевскую премию по химии. Зная структуру белка в деталях, можно с помощью компьютерного моделирования найти вещества, которые будут его активировать или ингибировать. Это гораздо эффективнее, чем тестировать множество веществ в реальных экспериментах.

Компьютерная реконструкция трехмерной структуры переносчика глутамата показала, что этот белок состоит из трех белков (протомеров), которые подобно вращающемуся лифту перемещают вещества через мембрану клетки. Это самая настоящая молекулярная машина! Одновременно с глутаматом переносчик транспортирует ионы хлора, которые необходимы для поддержания осмотического баланса внутри клетки.

Есть ли потенциальная польза от этого знания? Есть, поскольку существуют неврологические расстройства, вызванные нарушением работы глутаматного транспортера, и их надо лечить.

(Nature, 17 February 2021)