蛋白质动力学分子机器在工作

来自慕尼黑Ludwig-Maximilians-Universitaet(LMU)的研究人员使用一种特殊的基于荧光的成像技术来跟踪细胞膜中的孔蛋白将分子输出到细胞外介质时发生的形状变化。

生物细胞可以被认为是蜂巢，其中蛋白质是工蜂。然而，蛋白质更通用，可以相互作用形成分子机器。为了理解其功能多样性的基础机制，结构生物学家主要依靠对结晶后三维结构的分析。

然而，蛋白质晶体提供基本上静态的图像。“所以这种方法本身就不够用，”LMU物理与合成生物学教授Thorben Cordes说。“我们需要了解分子运动和蛋白质在运作过程中发生的结构变化。” Cordes和他的研究小组专注于寻找可视化蛋白质动力学的方法。他们与伦敦帝国理工学院和格罗宁根大学的团队合作，描述了一类膜整合转运蛋白中发生的构象变化。新发现出现在EMBO期刊上。

研究人员专注于所谓的ABC转运蛋白，这是一种参与许多细胞过程的必需膜蛋白，包括营养摄取，解毒和免疫反应。所有ABC运输车都由两个模块组成。嵌入膜中的跨膜结构域形成孔，基质通过该孔从细胞输出。细胞内核苷酸结合结构域负责提供所需的能量 - 它通过结合和分解ATP(细胞的主要化学能载体)来完成。

为了确定ABC转运蛋白如何实际将膜底物分配到膜上，Cordes及其同事使用了最近标准化的单分子FRET方法。该技术基于以下事实：当不同的荧光染料化学连接，特异性地位于相互作用的分子或结构域时，荧光信号随着它们之间的距离而变化(由于荧光共振能量转移)。这些变化可以用敏感显微镜测量，允许人们监测构象结构的变化和不同蛋白质亚基之间的结合相互作用。

“通过这种方式，我们能够证明底物跨膜转运需要ABC 蛋白构象的重大变化，”Cordes说。转运蛋白的两个模块可以以开放或闭合构象存在。在操作循环开始时，核苷酸结合结构域向内开放。然后ATP分子的结合触发该模块的闭合。如果 - 并且仅当底物已经存在于由跨膜结构域形成的孔中时，跨膜结构域采用开放构象，将底物释放到培养基中，然后关闭。然后才结合ATP水解，释放的能量用于恢复核苷酸结合结构域的开放构型。

这项新研究的作者希望单分子FRET将成为进一步研究ABC转运蛋白的首选方法。“这类转运蛋白也参与了许多严重疾病的发病机制，包括囊性纤维化以及抗癌药物，”Cordes解释说。“因此，更好地了解他们的运输周期可以开辟新的治疗机会。”

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