Uzyskano trójwymiarowy krystalograficzny obraz kompleksów białek pozwalających nam widzieć

Uzyskano trójwymiarowy krystalograficzny obraz kompleksów białek pozwalających nam widzieć. Zobaczyć, ale tak naprawdę, jak w kinie, jak to się dzieje, że możemy w ogóle cokolwiek zobaczyć to fenomenalne osiągniecie, czyż nie? Udało się to, jak donosi najnowszy numer „Molecular Cell”, grupie badawczej z nowojorskiego Uniwersytetu Cornell przy współpracy krystalografów Uniwersytetu Stanforda. Na marginesie – krystalografowie to nie specjaliści od rżnięcia kryształów ani fizycy badający funkcjonowanie kryształów. Mianem tym określa się specjalistów od biologii strukturalnej. Zdolni są oni (dzięki technologii krystalizacji białek i badania dyfrakcji na tych kryształach promieni Roentgena) do uzyskania obrazów i modeli przestrzennych białek (i innych związków). Tak na przykład uzyskiwano 70 lat temu model DNA – podwójna helisa narodziła się w taki sposób dzięki tytanicznej pracy Rosalind Franklin. I choć tytuł pracy, o której tu opowiadam: „Structures of the Rhodopsin-Transducin Complex: Insights into G-Protein Activation” (czyli: Struktura kompleksu rodopsyna-transducyna – wgląd w aktywację białek G) nie powie nic zgoła bardzo wielu z nas, to postaram się wnieść tu nieco światła. Zobaczyć bowiem rolę białek G i receptorów, które je mobilizują pod wpływem sygnałów takich, jak jeden foton światła, to coś pięknego na granicy magii. Tak się tu zachwycam (za co przepraszam), bo moja pierwsza naukowa działalność w życiu, jeszcze na 3. roku studiów, a to już będzie grubo ponad 30 lat temu) miała miejsce w Instytucie Biologii Doświadczalnej PAN im. Marcelego Nenckiego. Tam, w laboratorium kierowanym przez Państwa Stanisława i Hannę Fabczaków, po raz pierwszy usłyszałam słowo „transducyna” i „białka G” oraz zaczęłam się zajmować jednokomórkowymi pierwotniakami – tetrachymenami. Państwo Fabczakowie badali właśnie zjawisko widzenia – reakcji tego maleńkiego stworzenia na światło. Bo widzą – i to praktycznie na generalnie identycznej zasadzie – wszystkie zwierzęta duże i małe. Co więcej, w oparciu o model „białko-receptor jakiegoś bodźca lub związku chemicznego działające w sprzężeniu z konkretnym białkiem G” funkcjonuje w naszych organizmach wiele niezbędnych nam do życia procesów. #wieszwiecej Polub nas Wyjaśnijmy to po kolei. Najpierw co to białko G. To spory kompleks trzech podjednostek (zwanych, jak to w biologii bywa alfa, beta i gamma), mający zdolność rozkładania GTP. To taki drobnocząsteczkowy wysokoenergetyczny „brykiet” komórkowy (trochę podobny do znacznie powszechniej stosowanego ATP), który rozpada się na dwa fragmenty, co jest dla komórki sygnałem. Takich białek w komorkach kręgowców jest jakieś 20 rodzajów.Co robi białko G? Jest wzmacniaczem sygnału – dosłownie. O mocy nawet do 100 tys. razy (co by z takim wzmacniaczem zrobiły usta Micka Jaggera?). Tzw. przekazywanie sygnału w komórce polega na tym, że dowolna stymulacja (np. cząsteczka hormonu, fala dźwiękowa czy foton światła albo cząsteczka chemiczna pobudzająca receptor smaku na naszym języku) powoduje wzbudzenie białka zwanego receptorem. Na ogół działa tu mechanizm, w którym ręka pasuje do rękawiczki. Pod wpływem chwilowego związania receptora i cząsteczki sygnałowej, w receptorze dochodzi do jakiejś zmiany. Dziś już właśnie wiemy z trójwymiarowego obrazu krystalograficznego z rozdzielczością atomową – do jakiej dokładnie. I tego nam było trzeba. Bo jedna trzecia leków na rynku farmaceutycznym dziś to medykamenty zależne w swym działaniu od receptorów sprzężonych z białkami G. Zobaczyć z atomową rozdzielczością, jak to działa, oznacza móc zaprojektować kolejne i kolejne leki szybciej, łatwiej i przyjemniej, bo w sposób planowany. Wróćmy do sygnału: pochodzi on z zewnątrz komórki, a ma spowodować jakąś reakcję w jej wnętrzu. Receptor ten, w przypadku działających z białkami G, siedzi zatem zatopiony w błonie komórkowej. Wystawia na zewnątrz „rękę, do której będzie pasować rękawiczka” (domenę receptorową), a po drugiej stronie błony mając domenę atrakcyjną dla białka G. Ale tylko wtedy, gdy „rękawiczka nasunęła się na rękę” i receptor został aktywowany. Białko G zapewni, jak wspomniałam, olbrzymie wzmocnienie tego sygnału. Różnych receptorów sprzężonych z białkami G jest znanych ponad 800. Jednak rodopsyna, którą mamy w siatkówce oka, jest w swym działaniu cudowna. Jej rękawiczką bowiem jest… pojedynczy foton światła. Białko G, z którym współpracuje ten cud fototechniki nazywa się transducyną. Kompleks ten występuje masowo w błonie komórkowej pręcików siatkówki oka.Gdy widzimy i rodopsyna dostanie swoje fotony, transducyna z kolei aktywuje enzym zwany fosfodiesterazą. Ta zaś uwalnia jony wapnia Ca2+ z pręcików oka, co z kolei powoduje hiperpolaryzację błony komórkowej. Płynie prąd, który przemieszcza się ostatecznie wzdłuż nerwu wzrokowego do mózgu. Oko rejestruje i przekazuje, ostatecznie widzi świat dokoła nas nasz mózg. Badacze z Cornell kierowani przez Richarda Cerione wykorzystali technologię mikroskopii kryo-elektronowej. Dzięki jej zastosowaniu – zachowała ona bowiem strukturę aktywną kompleksu rodopsyna-transducyna – nie tylko otrzymali obraz 3D tego sporej wielkości białkowego zespołu w akcji z rozdzielczością do atomu. Poznali także w detalach wcześniej tajemniczy, choć różnorodnie modelowany mechanizm, dzięki któremu receptor sprzężony z białkiem G aktywuje owo białko G. Właściwie generalnie, a nie tylko w relacji rodopsyna-transducyna. A to istotne, bo to, co się z nami dzieje podczas np. zakażenia przecinkowcem cholery czy pałeczką krztuśca, wynika z tego, co toksyny bakteryjne potrafią zrobić złego z naszymi białkami G. Ja usłyszałam o nich 30 niemal lat temu w Instytucie Nenckiego w Warszawie, gdy w 1994 roku Alfred Gilman i Martin Rodbell otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za odkrycie i badania nad białkami G. Tyle lat trzeba było poczekać od tego pamiętnego dla biologów zdarzenia, aby wreszcie udało się zobaczyć, jak to naprawdę wygląda w akcji.