Описан механизм работы светозависимого транспортера ионов хлора бактерий

Транспорт ионов хлора — фундаментальный процесс биологии. Он позволяет регулировать осмотическое давление, рост клеток и потенциал клеточной мембраны. Роль галородопсинов в морских бактериях остается неясной, хотя и выдвигались предположения, что эти насосы ионов хлора поддерживают осмотический баланс клетки и участвуют в выработке АТФ. Галородопсины связаны с хромофором ретиналем, который при фотоизомеризации запускает транспорт ионов хлора. При этом механизм этого процесса до сих пор не был описан. Было известно, что участок связывания ионов находится недалеко от протонированных шиффовых оснований ретиналя. Чтобы полностью описать механизм ионного транспорта, необходимо было определить все промежуточные участки связывания ионов хлора.

В качестве объекта исследования авторы выбрали родопсин 3 из бактерии Nonlabens marinus (NmHR). Они показали переходные состояния белка и смоделировали процесс ионного транспорта комбинированным методом квантовой и молекулярной механики. В результате авторы описали механизм, благодаря которому энергия света используется для запуска транспорта ионов хлора.

Сначала исследователи показали, как энергия фотонов поглощается хромофором ретиналем и затем хранится в виде разделения зарядов между изомеризованным ретиналем и его противоионом — ионом хлора. В первые микросекунды после активации белка избыток энергии обеспечивает первый этап транспорта аниона благодаря нековалентному взаимодействию между ароматической системой и анионом (анион-π взаимодействие). Затем молекулярные ворота закрываются в месте изначального связывания иона, и одновременно происходит релаксация одной из спиралей белка (С-спираль). Это окончательно предотвращает обратный ток анионов. Выпуск аниона происходит за счет диффузии, также ему способствует дипольный момент, которые возникает из-за отрицательного заряда внеклеточной части белка и положительного заряда его цитоплазматической части.

Сам по себе захват аниона, скорее всего, происходит за счет небольшого положительно заряженного участка на отрицательно заряженной поверхности белка. Ученые предположили, что благодаря заряду двух аргининовых остатков, ион хлора добирается до электростатического воротного механизма. Ворота открываются только при взаимодействии с отрицательным зарядом, позволяя аниону связаться с ретиналем. Затем ворота закрываются, что не дает аниону попасть обратно за пределы клетки.

Таким образом, авторы описали перенос анионов в бактериальном родопсине и продемонстрировали, как именно энергия света превращается в кинетическую энергию для переноса ионов хлора. Они называют разделение зарядов важным природным механизмом сохранения энергии света, который также можно применить, например, в качестве оптогенетических инструментов для контроля активности нейронов.