Quanta diferença pode um décimo de nanômetro fazer? Quando se trata de descobrir como as proteínas de trabalho, uma melhoria na resolução dessa quantidade minúscula pode significar a diferença entre ver onde os átomos são e compreender como eles interagem.
Painéis de Alta e Média: Atomic detalhes de zinco a ligação com a proteína transportadora de zinco, conhecido como YiiP. Painel inferior: Um cartoon que ilustra como zinco ligação podem mudar a forma de proteínas para regular a geometria de coordenação do sítio ativo para o transporte de zinco (mostrado como um tetraedro no painel do meio).
Caso em questão: Novo, resolução melhorada vistas de uma proteína transportadora de zinco decifrado no Departamento dos EUA de Brookhaven da Energia do Laboratório Nacional de não oferecer apenas uma estrutura, mas também um mecanismo sugerido para como sentido células e regular de zinco, um elemento que é essencial para a vida , mas que deve ser mantido em um estado de equilíbrio para evitar problemas como convulsões, diabetes e, possivelmente, a doença de Alzheimer.
As novas descobertas, a ser publicado online em 13 de setembro de 2009, pela Nature Structural & Molecular Biology, também sugerem metas para zinco regula drogas, e pode mesmo avançar a compreensão de semelhante zinco-regulação enzimas nos cloroplastos de plantas com possíveis implicações para o biocombustível de produção.
"Nosso objetivo é revelar as interações atômicas em uma estrutura de proteína para entender a química que subjaz a função biológica da proteína", disse o biólogo de Brookhaven Dax Fu, que liderou a pesquisa. "Com essa estrutura, podemos começar a entender o mecanismo de transporte de zinco a nível químico".
A estrutura foi revelado usando cristalografia de raios-x na Fonte do laboratório de Brookhaven National Luz Síncrotron (NSLS), uma fonte de intensa de raios-x, ultravioleta e infravermelho. Estudando como raios-x saltar fora amostras cristalizadas de uma proteína, os cientistas podem reconstruir a localização e orientação dos átomos da proteína em três dimensões.
A equipe de Brookhaven tinha usado previamente NSLS para resolver um transportador de zinco estrutura da proteína em baixa resolução *. Para alcançar a nova estrutura e melhorado, os cientistas adicionaram os átomos de mercúrio para estabilizar a embalagem de proteína nos cristais. Isto aumentou a resolução de sua visão de raios-x por um angstrom simples (décimo de nanômetro). Mas porque trouxe a resolução geral de sua estrutura para pouco menos de 3 angstroms - o ponto no qual átomos individuais começam a se tornar visível - que permitiu aos cientistas ver a proteína em ação, e obrigado a transportar íons de zinco.
Usando sondas fluorescentes, os cientistas também estudaram como a proteína mudou de forma em resposta a ligação de zinco. E eles testaram como alterações em elementos estruturais da proteína transportadora de zinco afetaria sua capacidade de transporte de zinco.
Juntos, esses experimentos sugerem um mecanismo de auto-regulamentação para o transporte de zinco: ligação de zinco dentro da célula desencadeia dobradiça como movimentos de duas porções eletricamente repulsiva da proteína que se encontram dentro do interior da célula, o que resulta em uma mudança conformacional na porção do proteína que atravessa a membrana celular. Então, quando os níveis de zinco no interior do aumento de células muito alta, esta forma mudando de alguma forma empurra íons de zinco através da membrana e para fora da célula.
"Exatamente como a proteína empurra os íons de zinco através da membrana ainda não foi determinado", disse Fu, que acrescentou que este será um foco de pesquisas futuras.
Concebivelmente, acrescentou, as drogas que se ligam a porções de zinco-sensing da proteína poderia ser usada para modular a atividade de transporte de zinco e ajudar a ajustar os níveis de zinco como possíveis tratamentos para doenças como epilepsia, diabetes. Brookhaven Science Associates, que administra laboratório de Brookhaven, entrou com um pedido de patente relacionados a este trabalho.
Além disso, como proteínas outro metal transportar partes arquitetura semelhante com a proteína transportadora de zinco, os resultados deste estudo podem avançar a compreensão de outros problemas de saúde ligados ao desequilíbrio metal, bem como o desenvolvimento de possíveis tratamentos para essas condições.
Além disso, este trabalho pode ter implicações para os pesquisadores que tentam melhorar as perspectivas de produção de biomassa em plantas, um componente essencial para o desenvolvimento de biocombustíveis. O zinco é um co-fator essencial em uma série de reações nos cloroplastos, o site da fotossíntese. Mas, como é o caso de animais, metais em excesso podem ser altamente tóxicos nas plantas. Conseqüentemente, os estudos para ajudar a elucidar zinco transportador-função da proteína poderiam ajudar os cientistas a compreender como as plantas manter o delicado equilíbrio necessário para o crescimento ideal.
Futuros estudos de estruturas de proteínas no laboratório de Brookhaven promessa de revelar detalhes mecanicista ainda maior quando uma nova fonte de luz, conhecida como NSLS-II, abre em 2015. Essa facilidade, agora em construção, vai ser 10.000 vezes mais brilhante que NSLS. Que aumentam em brilho - e, portanto, a resolução - seria particularmente importante no estudo das proteínas da membrana, que representam a grande maioria das proteínas de interesse para aqueles medicamentos em desenvolvimento, mas que também são muitas vezes difíceis de cristalizar.
"Como ilustrado por este estudo, mesmo pequenas melhorias na x-ray resolução de difração pode ser de grande avanço na compreensão mecanicista da função da proteína", disse Fu.
Esta pesquisa foi realizada no beamline X25A na NSLS. O trabalho foi financiado pelos Institutos Nacionais da Saúde, Gabinete do DOE de Ciência (Escritório de ciências básicas da energia), e pelo Departamento de Biologia no laboratório de Brookhaven.