Ученые показали, как ферменты «танцуют» во время работы

Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый метод определения структуры биомолекул с помощью ЯМР-спектроскопии, который показывает, как различные части сложных молекулярных механизмов, таких как ферменты, движутся во время катализа реакций.

Ансамблевая карта структуры белка. Автор: Tokyo Metropolitan University

Хотя снимки, полученные с помощью рентгеновских лучей или криоэлектронной микроскопии, показывают сложную молекулярную структуру ферментов, в работе они находятся в постоянном движении. Эти быстрые движения в нанометровом масштабе трудно зафиксировать.

Команда под руководством доцента Тэппэя Икэи успешно зафиксировала точную «ансамблевую структуру» фермента в действии — коллекцию всех состояний, которые может принимать макромолекула, и вероятность каждого из них.

Карта плотности вероятности для положения петли и крышки. Автор: Tokyo Metropolitan University

Метод был продемонстрирован на ферменте дрожжей YUH1, который помогает рециркулировать убиквитин — белок, регулирующий различные внутриклеточные процессы. У человека есть его аналог UCHL1, связанный с болезнями Паркинсона и Альцгеймера.

Ученые обнаружили, что две части фермента возле активного центра демонстрируют поразительно большие движения: «перекрестная петля» и N-концевой участок белковой структуры. N-концевой участок двигался внутрь и наружу петли, проходя через целый ряд состояний, прежде чем захватить белок-мишень, как лассо, и действовать как «затворная крышка», удерживая его на месте.

Разложение «многостадийной» природы YUH1. Автор: Tokyo Metropolitan University

Этот новый механизм был подтвержден тем, что мутантные версии с неполноценными «крышками» не проявляли той же ферментативной активности. Результаты показывают, как динамическая природа ферментов играет важную роль в их функционировании.

Метод может быть применен к широкому спектру биологических структур в их естественной среде, открывая новый подход для изучения основных механизмов и потенциальных патологий.