Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 249: одна V-АТФаза, чтобы править всеми
Ученые из Дании детально разобрались в работе нейрональной V-АТФазы – молекулярного насоса, накачивающего протоны внутрь синаптической везикулы. Оказалось, что V-АТФазы млекопитающих, в отличие от бактериальных гомологов, не качают протоны непрерывно. В их рабочем цикле присутствует три продолжительных периода: закачивание протонов, неактивное состояние и «подтекание» протонов, при котором протоны пассивно выходят обратно в цитоплазму. Подробности – в журнале Nature.
Редкие биологические молекулы функционируют в живой клетке поодиночке. Как правило, в соответствующих компартментах клетки, своих «рабочих местах», они присутствуют во множестве копий. Если одна молекула ошибется в силу случайных причин или и вовсе придет в негодность, ее всегда подстрахуют ее «коллеги», обретающиеся неподалеку. Однако известны редкие случаи, когда биологические молекулы держатся в гордом одиночестве.
Например, у млекопитающих в состав каждой синаптической везикулы входит одна (изредка – две) молекула фермента-насоса V-АТФазы. Часть этого большого фермента, выдающаяся в цитоплазму за пределы везикулы, гидролизует АТФ, а выделяющуюся при этом энергию использует для закачивания протонов внутрь синаптической везикулы. Благодаря направленному АТФ-зависимому транспорту протонов V-АТФаза создает электрохимический градиент на мембране синаптической везикулы, который в дальнейшем может быть использован для загрузки везикулы молекулами нейромедиатора.
Когда за такой важный процесс, как создание протонного градиента на мембране синаптической везикулы, отвечает всего одна молекула фермента, цена ее ошибки, в том числе и вызванной чисто стохастическими причинами, становится очень высока. Но несмотря на груз ответственности V-АТФаза прекрасно справляется со своими задачами. Как же она работает?
Датские ученые детально разобрались с механизмом работы нейрональной V-АТФазы млекопитающих. Они работали с V-АТФазами, находящимися в их естественной «среде обитания» — мембранах синаптических везикул, в комплексе с которыми они и были выделены. Для удобства наблюдения за работой фермента в состав везикулы внедрили синтетический детектор pH.
Ученые смогли показать, что, в отличие от бактериальных гомологов, у млекопитающих V-АТФаза качает протоны не непрерывно. Ее работа подразделяется на три фазы: закачивание протонов, неактивный период и «протекание» протонов, во время которого протоны пассивно возвращаются в цитоплазму. Каждой фазе работы соответствует свой набор конформаций фермента. Фазы длятся долго и переключаются с одной на другую случайным образом. Важно отметить, что, будь в составе везикулы несколько молекул V-АТФаз, подобная модель работы со стохастическим переключением между фазами была бы невозможна.
Более детальный анализ позволил показать, что на длительность фаз и их переключение оказывают влияние величина протонного градиента на мембране везикулы, а также АТФ. К слову, в обсуждаемой работе впервые оценили влияние АТФ на работу одной молекулы протонного насоса. Оказалось, что при широком физиологически релевантном диапазоне концентраций АТФ влияет только на переключение фаз и не воздействует на величину протонного градиента.
Подводя итог работе, исследователи отмечают, что наличие нескольких фаз активности может быть общим свойством, присущим не только протонным насосам, но и всем ферментам.
Текст: Елизавета Минина
Regulation of the mammalian-brain V-ATPase through ultraslow mode-switching by Kosmidis, E., Shuttle, C.G., Preobraschenski, J. et al. Nature 611, 827–834 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05472-9