Proteinrörelser synas för att förstå cellens energibalans

Adenylatkinasproteinet i öppet (vitt) och stängt (lila) tillstånd. Stängningen observerades till 4,3 millisekunder.

BildMagnus Andersson

Vår studie bidrar till den generella förståelsen av hur proteiner förändrar sin struktur för att utföra sin biologiska funktion.

De molekylära mekanismerna som ligger till grund för hur en cell styr energikonsumtion och lagring är ännu inte helt kända.

– Vår studie presenterar nya rön för en välkänd enzymatisk reaktion i cellen och bidrar till den generella förståelsen av hur proteiner förändrar sin struktur för att utföra sin biologiska funktion, säger Magnus Andersson, universitetslektor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

Ett proteins struktur är mycket dynamisk och de strukturella förändringar som ett protein kan genomgå är inte slumpmässiga utan omsorgsfullt koordinerade att följa en viss ordning och mönster. Den här typen av dynamik är inkodad i proteinets struktur och har alltså evolverat för att utföra en viss funktion så bra som möjligt. Man kan likna det vid en förbränningsmotor där de olika delarna måste röra sig i en förutbestämd ordning och vid specifika tidpunkter. För att erhålla en djupare förståelse för en biologisk funktion bör man därför studera den aktuella mekanismen i realtid.

Genom att ”filma” reaktionen med hjälp av snabba röntgenpulser i ESRF-synkrotronen i Grenoble i Frankrike kunde Magnus Andersson och hans kollegor, där doktoranden Fredrik Orädd haft en framträdande roll, studera rörelser i proteinet adenylatkinas med bakterien E. coli som modellsystem.

I tidsupplösta experiment är ett krav att man kan starta den eftersökta reaktionen på ett sätt så att tillräckligt många proteinmolekyler reagerar på samma gång. Här använde sig forskarna av en laserpuls för att frigöra ATP från en ljuskänslig inaktiv ATP-förening och kunde på så vis följa när proteinet slöt sig kring ATP i närvaro av en adenosin-mono-fosfat (AMP).

Magnus Andersson, Universitetslektor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet.

BildMattias Pettersson

– Det sker mycket spännande forskning inom området för den här typen av ljuskänsliga föreningar som i princip möjliggör liknande experiment för ett stort antal viktiga proteiner, säger Magnus Andersson.

Adenylatkinas-proteinet slöt sig halvvägs runt ATP- och AMP-molekylerna på 4,3 millisekunder och visade tydliga tecken på att vecka upp sig – det vill säga tillfälligt förlora sin stabila struktur. Denna typ av lokal uppveckning har föreslagits vara en generell mekanism för hur proteiner kan genomgå strukturella förändringar enligt en så kallad ”cracking”-modell.

Kompletterande mätningar med kärnmagnetisk resonans, NMR, utförda av professor Magnus Wolf-Watz’ forskargrupp vid Umeå universitet bekräftade synkrotronmätningarna och visade att den ATP-bindande delen av en destabiliserad variant av adenylatkinas-proteinet gick genom betydande uppveckning innan ATP-bindning.

Forskarna menar att det är möjligt att den observerade stängningsmekanismen är beroende av ett specifikt mönster av kemiska interaktioner som synkroniserar de observerade rörelserna hos proteinet. Tidsupplösta röntgenspridningsförsök kan nu designas för att identifiera komponenterna i detta känsliga reglage.

Utvecklingen av synkrotronanläggningen MAX IV i Lund visar stor potential för att den här typen av experiment ska kunna utföras också i Sverige inom en snar framtid.