生物物理学家在细胞中发现“质子线”

2022-06-20 03:25·日月明尊

来自俄罗斯和德国的一个国际科学家小组发现了一种重要的细胞蛋白细菌视紫红质在原子水平上的工作机制。事实证明，在光的帮助下，蛋白质组织“质子线”在膜上产生电位并为细胞充电。多年来，科学家们一直致力于发现，检查和总结所有积累的信息，并开发出自己独特的研究方法。

这篇文章发表在高度评价的科学杂志《自然结构与分子生物学》上。细菌视紫红质是现代科学中研究最多的蛋白质之一。它于 40 多年前开业。这种蛋白质是生产细胞主要能量单位 ATP 的重要环节。对于 ATP 的合成，膜上会产生一个电势：一方面，有很多氢质子，另一方面，很少。

细菌视紫红质是参与这一过程的蛋白质之一。它吸收光并使用光子能量将质子从细胞膜的一侧运送到另一侧。由于这种蛋白质能够在光的帮助下发生变化，因此已经开发了许多研究方法。

它是所有光遗传学的核心，这是一种用光控制神经元的独特技术，现在已经非常活跃。迄今为止，已经发表了数千篇关于细菌视紫红质的研究论文。但是，尽管如此，仍然不清楚蛋白质本身是如何工作的。

事实上，细菌视紫红质是一种膜蛋白，很难结晶，是研究蛋白质的主要方法。随着时间的推移，这个问题得到了解决，但科学家们无法明确地建立所谓的过渡态。您可以将蛋白质的功能与机器进行比较。当它像任何机器一样工作时，它可以处于状态 1、2、3、4 或 5。当它从一种状态移动到另一种状态时，其结构中的某些东西会发生变化。当汽车在移动时，一些齿轮在移动，一些东西在旋转。

您可以逐帧拍摄：首先是第一个，然后是第二个，第三个，第四个 - 跟随机器的工作原理。它滚动是因为活塞在某处移动，齿轮在某处旋转，开关在某处工作。正是基于这一原理，科学家们正试图研究蛋白质的作用。但是，由于我们谈论的是原子级别，所以我们必须使用技术上难以实现的程序。

许多科学小组已经在这个方向研究细菌视紫红质，但他们都有自己的问题：数据的质量总是不足以形成一个一致、统一的蛋白质工作原理图。

质子线

“我们能够确定，为了使蛋白质起作用，必须在其中形成“质子线”，它连接了该分子发生变化的一些关键位置。它们将信号和质子从蛋白质的一个地方传送到另一个地方。细菌视紫红质吸收一个光子，由于这种能量，其中发生结构重排，在此期间质子从膜的一侧转移到另一侧。

为此，构成它的氨基酸以某种方式重新排列。正是这些重排我们设法看到并解释了为什么质子开始沿着这些质子线运行。潜在的力量是如何，以何种方式将质子从一侧拖到另一侧的。

科学家使用了几种方法。主要方法是X射线衍射分析。在它的帮助下，您可以了解分子是如何排列的，哪个原子位于其中。但是为了了解它在工作过程中的变化，需要光谱学。

激光照射在创造的晶体上，里面的蛋白质开始起作用。它的占空比约为 10 毫秒，在此期间它会经历一整圈的变化并返回到起点。MIPT 中心的科学家们已经学会“掌握”分子的状态。已经开发出允许将蛋白质固定在所需位置以“考虑”变化的方法。

为此，将蛋白质晶体冷冻，然后用光激发。根据温度，蛋白质可以进入第一个状态并停在那里。当温度升高时，他可以通过第一种状态并进入第二种状态。因此，通过改变和固定温度，科学家们积累了具有某种蛋白质状态的晶体并对其进行了研究。

世界上有许多科学团队都在为类似的任务而苦苦挣扎。我们不仅要通过实验来描述和理解我们的结果，还要将它们始终如一地融入已经存在的庞大数据池中。特别要分析现有研究中的主要错误。在某些情况下，由于样品的辐射损伤而实际出现的伪影。

X射线是电离辐射，在进行X射线衍射分析时很容易损坏样品。如果您不遵循这一点，那么您可能会损坏样品以进行真正的更改。在其他情况下，光强度增加得如此之多，以至于激光产生了伪影，对此进行了进一步研究。科学家们不得不处理每一个错误。

这也会在简单分析中产生伪影。在我们处理了这些问题，了解了如何解决这些问题之后，我们可以开始创建一个一致的工作模型，实际上是细菌视紫红质。结果，这本出版物是多年工作的成果。