Если бы инопланетянин впервые увидел изображение ножниц в каталоге товаров для рукоделия, он, вероятно, понятия не имел бы, для чего мы, земляне, используем эту вещь. С другой стороны, если бы ему показали видео, на котором ножницы открываются и закрываются, он, возможно, смог бы понять их функцию с небольшим воображением.
У ученых очень похожий подход, когда они хотят понять, как работает фермент: если они вообще знают структуру молекулы, то обычно только в виде неподвижного изображения. Они не знают, как фермент ведет себя в действии, какие части движутся навстречу друг другу, а какие части отдаляются друг от друга.
Ферменты катализируют определенные химические реакции в клетках, сравнимые с ножницами, которые режут бумагу. У них есть каталитические центры (лезвия), которые контактируют с исходным материалом (бумагой). «Трехмерная форма фермента обычно изменяется во время этого процесса», – объясняет проф.
Доктор. Олав Шиман из Института физической и теоретической химии Боннского университета. "Обычно эти конформационные изменения невозможно сделать видимыми, или они требуют больших усилий. Это часто затрудняет понимание механизма катализа."
Исследовательской группе Шимана удалось разработать метод, с помощью которого можно измерить движения частей белка друг относительно друга в процессе катализа. Боннские ученые уже несколько лет успешно работают над такими методами.
В своем текущем исследовании они изучили особенно важную группу ферментов. Они несут ионы металлов с многочисленными неспаренными электронами в своих каталитических центрах. Одним из примеров является гемоглобин, который связывает кислород с помощью иона железа и, таким образом, может транспортироваться в крови.
Переворачивание ионов
«Наши текущие методы не подходят для таких высокоспиновых ионов», – объясняет коллега Шимана доктор.
Динар Абдуллин. «Поэтому мы разработали новый метод, разработали теорию и успешно ее протестировали."Исследователи использовали тот факт, что высокоспиновые ионы ведут себя как небольшие электромагниты. Кроме того, они могут случайным образом менять свою полярность – они «переворачиваются»: Северный полюс становится Южным полюсом, а Южный полюс становится Северным полюсом.
Это явление можно использовать для измерения расстояний.
Здесь ученые связывают фермент с определенными химическими соединениями, которые также обладают электромагнитными свойствами. «Когда высокоспиновые ионы переворачиваются, эти маленькие электромагниты реагируют на изменение магнитного поля в окружающей их среде, также меняя свою полярность», – объясняет Абдуллин. Когда и как они это сделают, зависит, среди прочего, от расстояния до высокоспинового иона. Это позволяет так точно определить расстояние между ними.
Если несколько магнитных групп связаны с одним ферментом, расстояние каждой из этих групп до высокоспинового иона и, таким образом, до каталитического центра получается. «Комбинируя эти значения, мы можем измерить пространственное положение этого центра, как если бы мы использовали молекулярный GPS», – объясняет Шиманн. «Например, мы можем определить, как меняется его положение относительно других магнитных групп в процессе катализа."
Однако ученые пока не могут по-настоящему наблюдать за работой фермента. «Мы все еще работаем с замороженными клетками», – говорит Шиманн. "Они содержат множество ферментов, которые были заморожены в разные моменты времени во время каталитической реакции. Таким образом, мы получаем не фильм, а серию «кадров» – как если бы ножницы из вводного примера были сфотографированы в бесчисленное количество разных моментов в процессе монтажа.
«Но мы уже работаем над следующим улучшением», – подчеркивает химик: «Пространственное измерение биомолекул в клетках и при комнатной температуре."Исследователи надеются получить представление о развитии определенных заболеваний, которые вызваны функциональными нарушениями ферментов. Помимо доктора.
Максим Юликов из ETH Zurich из Боннского университета, в исследовании также принимала участие рабочая группа под руководством проф. Доктор. Стефан Гримме (также Институт физической и теоретической химии) и проф.
Доктор. Арне Люцен (Институт Кекуле).