Клеточные машины непрерывно производят длинные полипептидные цепи, белки. Однако для того, чтобы правильно выполнять свою клеточную функцию, белок должен сначала принять свою правильную пространственную структуру.
В каждой клетке есть молекулярные белки-помощники, называемые шаперонами. Они заботятся о незрелых белках, чтобы помочь им в процессе сворачивания и, таким образом, предотвратить ошибки. Ученые под руководством профессора Себастьяна Хиллера из Biozentrum Базельского университета и профессора Даниэля Мюллера из Департамента биосистемных наук и инженерии (D-BSSE) ETH Zurich в Базеле обнаружили, как два шаперона в кишечной бактерии E. coli защищают мембранный белок FhuA во время транспортировки и способствуют его внедрению в мембрану.
Шапероны помогают внедрять мембранный белокБесчисленные белки, переносящие питательные вещества и сигнальные молекулы, встроены во внешнюю мембрану бактерий. Одним из таких мембранных переносчиков является белок FhuA.
Через этот белок бактерии поглощают жизненно важное железо, а также антибиотики. Но как очень большой белок FhuA в форме бочонка достигает внешней мембраны в неповрежденном виде?
Ученые из Biozentrum и D-BSSE исследовали этот процесс более глубоко.Для достижения своей цели во внешней мембране FhuA использует несколько шаперонов.
Используя структурный анализ и силовую спектроскопию одиночных молекул, исследователи выяснили, как эти два шаперона стабилизируют незрелый белок и предотвращают неправильную укладку. «Этот процесс чрезвычайно динамичен, — говорит Хиллер. «Под защитой шаперонов в течение миллисекунды FhuA постоянно меняет свою структуру. Таким образом, он исследует энергетически выгодные конформации, которые позволяют поэтапно вставлять и складывать отдельные сегменты белка в мембрану». С введением последнего белкового сегмента FhuA приобретает свою зрелую и функциональную бочкообразную структуру. Если не защищаться, FhuA неправильно сбросит карты и, в конце концов, суммируется.
Белковый хаос без шапероновШапероны в значительной степени участвуют в образовании функциональных белков. Они играют важную роль в правильной укладке растворимых белков и, кроме того, необходимы для встраивания мембранных белков во внешнюю мембрану бактерий.
Поскольку некоторые органеллы в клетках растений и животных имеют бактериальное происхождение, шапероны также защищают свои мембранные белки аналогичным образом и помогают при внедрении в мембрану. Следовательно, новые результаты имеют большое значение также для заболеваний, вызванных неправильно свернутыми белками, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона или кистозный фиброз.
«В течение долгого времени было известно, что шапероны защищают другие белки от неправильного сворачивания и побуждают их правильно сворачиваться. Теперь наша работа преуспела в демонстрации — впервые в биологических мембранах — как шапероны поддерживают мембранные белки, которые ключ к фармацевтическим исследованиям », — объясняет профессор ETH Дэниел Мюллер.
До недавнего времени их можно было исследовать почти только в искусственных средах. Однако это означало, что почти не было понимания того, как белки складываются в клеточную мембрану.
«Чтобы провести свободную аналогию, до сих пор это было все равно, что положить корову на ледяной покров, чтобы исследовать ее естественное поведение, а затем наблюдать удивительные реакции», — говорит Мюллер. «Теперь у нас есть лучшее понимание того, как клетка включает свои молекулярные машины в мембраны, чтобы они могли выполнять свои разнообразные функции».