Группа исследователей из Case Western Reserve University (США) разработала метод, позволяющий «видеть» молекулы воды, находящиеся в глубине белков, открыв сеть, по которой передается информация, когда эти белки активны.

Результаты их работы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые заглянули вглубь родопсина, находящегося в сетчатке глаза белка, ответственного за зрительное восприятие при слабом освещении. Родопсин является одним из белков, входящим в семейство, называемое рецепторами, сопряженными с G-белками  – G-protein coupled receptors (GPCRs). Для осуществления взаимодействий с другими белками и передачи через клеточные мембраны информации, регулирующей многие важные молекулярные пути, эти белки физически меняют свою форму при переходе в активное состояние. Родопсин «включается» светом, заставляющим его изменить форму и запустить серию молекулярных событий, делающих возможным ночное зрение.

«Никто не знает, как такие молекулярные пути передают информацию», – говорит Сайан Гупта (Sayan Gupta), соавтор работы, сотрудник Case Western Reserve University и Национального источника синхротронного света (National Synchrotron Light Source  – NSLS). «Мы думаем, что вода играет важную роль в сохранении структуры белков и регулирует ее динамику. Теперь у нас есть метод, позволяющий изучать молекулы воды глубоко внутри белков с помощью рентгеновских лучей».

Для изучения роли воды в изменении формы протеинов исследователи применили сочетание двух методов: регистрацию радиолитических белков (radiolytic protein footprinting) и масс-спектрометрию.

«Мы сфокусировали интенсивное рентгеновское излучение из установки X28C на препаратах родопсина, среди которых белок был как в активном, так и в неактивном состоянии», – говорит Гупта. «Этот мощный метод приводит к образованию из молекул воды гидроксильных радикалов, которые затем химически модифицируют находящиеся рядом аминокислоты, составляющие белок».

С помощью масс-спектрометрии ученые определили химические модификации и создали молекулярные карты, показывающие, где молекулы воды находятся внутри белка, когда он «включен» и когда «выключен». Они пришли к выводу, что в ответ на активацию белка молекулы воды перестраиваются и взаимодействуют с его ключевыми областями, необходимыми для функционирования.

«Водородные связи молекул воды придают таким белкам определенную пластичность и способность принимать различные формы», – говорит соавтор работы Томас Эйнджел (Thomas Angel).

«Внутри этих белков вода создает электростатическую сеть», – добавляет Гупта. «Сеть может разомкнуться, измениться, а затем образоваться вновь, передавая через белок поток информации на другую сторону клеточной мембраны».

Мембранный белок родопсин из суперсемейства рецепторов G-белков (GPCR) демонстрирует структурную активацию связанной воды как функцию сигнального статуса рецептора. Рентгеновское излучение ионизирует молекулы воды внутри и вне структуры мембранного белка, приводя к образованию радикалов (ОН-, светящиеся шары), которые реагируют с соседними аминокислотными боковыми цепями. Когда в процессе прохождения сигнала белок меняет свою структуру, картина реакционной способности воды внутри белка меняется, отражая передачу сигнала через мембрану

Известно, что генетические мутации в ассоциированных с водой областях белков вызывают заболевания. Например, подобные мутации в белке родопсине являются причиной одного из видов генетически обусловленной «куриной слепоты», которая часто приводит к полной потере зрения.

Белки-рецепторы G-белков являются «стражами ворот», первыми звеньями многих биологических реакций, таких, например, как реакции бегства или борьбы. От них в значительной степени зависит наше настроение и даже деятельность сердца.

«Роль воды в активации родопсина, вполне возможно, прослеживается и в других белках суперсемейства GPCR», – считает Эйнджел. «Эти рецепторы являются очень важными фармацевтическими мишенями, учитывая то, что они мощно усиливают сигналы во многих сигнальных путях. Это суперсемейство является и важной биомедицинской мишенью, ведь около 50 процентов существующих на рынке фармацевтических препаратов взаимодействуют именно с этими рецепторами. Если мы научимся активировать и инактивировать эти белки и сигнальные пути, наше влияние на биологические реакции будет значительно расширено».

Аннотация к статье: T.E. Angel, S. Gupta, B. Jastrzebska, K. Palczewski and M.R. Chance, Structural waters define a functional channel mediating activation of the GPCR rhodopsin