格羅寧根大學(xué)的科學(xué)家對細(xì)菌用于輸入天冬氨酸的運(yùn)輸復(fù)合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了獨(dú)特的繪制。使用冷凍電子顯微鏡對蛋白質(zhì)成像。結(jié)果表明運(yùn)輸機(jī)工作效率很高。這特別有趣，因?yàn)轭愃频霓D(zhuǎn)運(yùn)蛋白對于人腦細(xì)胞之間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至關(guān)重要。研究結(jié)果于2月21日發(fā)表在《自然通訊》上。

細(xì)胞利用無數(shù)的運(yùn)輸?shù)鞍讓⑽镔|(zhì)穿梭在它們的膜上：食物和構(gòu)件被進(jìn)口，毒素和其他廢物被出口。一個(gè)例子是天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，細(xì)菌用來輸入該氨基酸。格羅寧根生物分子科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院的Dirk Slotboom教授領(lǐng)導(dǎo)的膜酶研究小組和Albert Guskov博士領(lǐng)導(dǎo)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)小組對這種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行了數(shù)年的研究，部分原因是它是人類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的良好模型，從突觸間隙去除神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸，這是我們腦細(xì)胞工作的重要步驟。

貨梯

細(xì)菌膜中的天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是三聚體，這意味著三個(gè)相同的單元緊密地結(jié)合在一起形成一個(gè)復(fù)合物。從環(huán)境中提取天冬氨酸，通過細(xì)胞膜運(yùn)輸并在細(xì)胞內(nèi)部釋放。每單位三個(gè)鈉離子為這一轉(zhuǎn)變提供動力，這可以與貨物提舉相提并論：天冬氨酸和鈉離子與部分轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合，然后進(jìn)入細(xì)胞。交付天冬氨酸后，它再次退出。

Slotboom解釋說：“我們以前使用X射線晶體學(xué)繪制了具有天冬氨酸的配合物的結(jié)構(gòu)圖。” 這些研究表明，大樓中的三個(gè)電梯始終處于同一位置。“但是，生化證據(jù)表明它們可能彼此獨(dú)立地起作用。” 這就是為什么他決定在膜內(nèi)部更自然的環(huán)境中研究運(yùn)輸復(fù)合體的原因。這是使用冷凍電子顯微鏡完成的，這是一種創(chuàng)建蛋白質(zhì)復(fù)合物圖像的方法。

納米光盤的俯視圖和側(cè)視圖，黃色的錨點(diǎn)部分和藍(lán)色的舉升部分。一條蛋白帶(灰色)將光盤固定在一起。信用：Archipova等。

問題

將蛋白質(zhì)插入脂質(zhì)雙層的小塊中，并通過一條蛋白帶將它們保持在一起。這些脂質(zhì)納米盤被快速冷凍并在低溫電子顯微鏡下研究。通過組合大量圖像，以3.2-3.5埃的分辨率對運(yùn)輸復(fù)合物成像。

Slotboom小組的博士后研究員，Valentina Arkhipova說：“我們所看到的與通過X射線晶體學(xué)獲得的結(jié)構(gòu)有很大不同：在大多數(shù)復(fù)合體中，升降機(jī)處于不同的位置，與獨(dú)立運(yùn)動一致。”紙。這就提出了為什么蛋白質(zhì)會形成三聚體復(fù)合物的問題。Arkhipova：“每個(gè)單元的舉升機(jī)部分都需要支撐才能穿過膜片。錨定在膜片內(nèi)的單個(gè)舉升機(jī)可能會開始擺動。但是，三個(gè)帶有連接錨的舉升機(jī)形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。”

泄漏

另一種可能性是，三聚體的錨固部分使圍繞它的膜片更薄，更不牢固，這使舉升機(jī)更容易通過。Slotboom解釋說：“單體只會在一側(cè)產(chǎn)生這種作用，因此在能量上不利。” 確實(shí)，對包含轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物的脂質(zhì)納米圓盤的研究顯示了雙層的彎曲。

這些結(jié)構(gòu)還提供了運(yùn)輸系統(tǒng)如何防止鈉泄漏的指示。Slotboom：“電梯具有一種門，當(dāng)門打開時(shí)，該門會伸出并阻止電梯移動。” 運(yùn)輸過程首先需要兩個(gè)鈉離子進(jìn)入提升機(jī)。帶負(fù)電荷的天冬氨酸然后可以在內(nèi)部結(jié)合，這使第三鈉離子進(jìn)入并結(jié)合到門上，從而將門關(guān)閉。因此，升降機(jī)無法僅運(yùn)輸鈉，鈉會消散跨驅(qū)動運(yùn)輸?shù)哪さ拟c梯度。

大腦

Slotboom說：“它使系統(tǒng)非常有效。” 對于細(xì)菌而言，這種效率可能只是很小的選擇性進(jìn)化優(yōu)勢。但是，對于我們大腦中類似的谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它至關(guān)重要。谷氨酸被神經(jīng)細(xì)胞排泄到突觸間隙中，并激發(fā)鄰近的神經(jīng)元。激勵(lì)后，必須非常快速有效地將其去除，以減少信號傳輸中的噪聲。Slotboom：“對于這個(gè)系統(tǒng)，至關(guān)重要的是沒有泄漏。”