la microscopia dell'Cryo-elettrone rivela come la proteina di trasporto funziona molto efficientemente

La struttura di un complesso del trasporto usato dai batteri per includere l'aspartato è stata mappata in dettaglio unico dall'università di scienziati di Groninga. Le proteine erano imaged facendo uso di microscopia dell'cryo-elettrone. I risultati rivelano che il trasportatore funziona molto efficientemente. Ciò è particolarmente per quanto un simile trasportatore sia interessante vitale per trasduzione del segnale fra le celle di cervello umano. I risultati di studio sono stati pubblicati nelle comunicazioni della natura il 21 febbraio.

Le celle usano una miriade delle proteine di trasporto per muovere le sostanze avanti e indietro attraverso le loro membrane: l'alimento e le particelle elementari sono inclusi, tossine e l'altro spreco è esportato. Un esempio è il trasportatore dell'aspartato, che i batteri usano per includere questo amminoacido. Il gruppo di ricerca dell'enzimologia della membrana piombo dal professor Dirk Slotboom ed il gruppo strutturale di biologia piombo dal Dott. Albert Guskov all'istituto di Groninga per le scienze & la biotecnologia biomolecolari hanno studiato questo trasportatore per parecchi anni, parzialmente perché è un buon modello per il trasportatore umano che elimina il glutammato del neurotrasmettitore dallo spacco sinaptico, un punto vitale nel lavoro delle nostre cellule cerebrali.

Ascensore di merci

Il trasportatore dell'aspartato in membrane batteriche è un trimero, in modo da significa che tre unità identiche sono tenute insieme strettamente per formare un complesso. L'aspartato è preso dall'ambiente, è trasportato tramite la membrana cellulare ed è rilasciato sull'interno della cella. Tre ioni del sodio per unità alimentano questa transizione, che può essere confrontata ad un ascensore di merci: gli ioni del sodio e dell'aspartato legano alla parte della proteina di trasporto, che poi entra nella cella. Dopo la consegna dell'aspartato, esce ancora.

“Precedentemente abbiamo mappato la struttura del complesso con l'aspartato facendo uso di cristallografia a raggi x,„ spieghiamo Slotboom. Questi studi hanno indicato che i tre ascensori nel complesso erano sempre nella stessa posizione. “Tuttavia, la prova biochimica ha suggerito che potrebbero lavorare indipendentemente da una un altro.„ Ecco perché ha deciso di studiare il complesso del trasporto in un ambiente più indigeno, dentro una membrana. Ciò è stata fatta facendo uso di microscopia dell'cryo-elettrone, un metodo per la creazione delle immagini dei complessi della proteina.

Domande

Le proteine sono state inserite nelle piccole toppe dei doppii strati lipidici, tenute insieme da una fascia della proteina. Questi nanodiscs del lipido rapidamente sono stati congelati e studiato stati in un microscopio dell'cryo-elettrone. Combinando tantissime immagini, il complesso del trasporto era imaged ad una risoluzione di 3.2-3.5 angstrom.

Che cosa abbiamo veduto era molto differente dalle strutture ottenute con cristallografia a raggi x: nella maggior parte dei complessi, gli ascensori erano nelle posizioni differenti, coerenti con i movimenti indipendenti.„

Valentina Arkhipova, ricercatore postdottorale nel gruppo di Slotboom e primo autore del documento

Ciò solleva il problema di perché la proteina formerebbe un complesso trimeric. Arkhipova: “La parte dell'ascensore di ogni unità richiede il supporto di muoversi tramite la membrana. Un singolo ascensore ancorato dentro la membrana ha potuto avvi vacillare. Ma tre ascensori con le ancore connesse formano una struttura stabile.„

Dispersione

Un'altra possibilità è che la parte dell'ancora del trimero rende alla membrana intorno un poco diluente e meno il rigido, che lo rende più facile affinchè l'ascensore passi da parte a parte. “Un monomero avrebbe soltanto questo effetto su un lato, che è energetico meno vantaggioso,„ spiega Slotboom. Effettivamente, studi sui nanodiscs del lipido che contengono il piegamento complesso di manifestazione di trasporto del doppio strato.

Le strutture egualmente forniscono un'indicazione di come il sistema di trasporto impedisce la dispersione di sodio. Slotboom: “L'ascensore ha un genere di porta che, una volta aperto, sporge ed impedisce l'ascensore muoversi.„ Il trattamento di trasporto in primo luogo richiede che due ioni del sodio entrino nell'ascensore. Negativamente - l'aspartato fatto pagare può poi legare dentro, che permette ad un terzo ione del sodio di entrare e legare alla porta, chiudendola. È quindi impossible affinchè l'ascensore trasporti soltanto il sodio, che dissiperebbe il gradiente del sodio attraverso la membrana che determina il trasporto.

Cervelli

“Rende il sistema molto efficiente„, dice Slotboom. Per i batteri, questo risparmio di temi può essere soltanto un piccolo vantaggio evolutivo selettivo. Tuttavia, per il trasportatore analogo del glutammato nei nostri cervelli, è vitale. Il glutammato è espulso dalle cellule nervose nello spacco sinaptico, in cui eccita il neurone adiacente. Dopo l'eccitazione, deve essere eliminato molto rapidamente e diminuire efficientemente il disturbo nella trasmissione del segnale. Slotboom: “Per questo sistema, è vitale che non c'è dispersione.„

Source:
Journal reference:

Arkhipova, V., et al. (2020)  Structural ensemble of a glutamate transporter homologue in lipid nanodisc environment. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-020-14834-8.