研究人员发现质子二极管水是蛋白质中的活性元素

2019-04-15 09:45:20
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波鸿的生物物理学家发现了质子二极管:就像电子元件确定电流的方向一样,“质子二极管”确保质子只能在一个方向上穿过细胞膜。水分子在这里作为二极管的有源元件起着重要作用。由Klaus Gerwert博士(RUB生物物理学主席)领导的研究人员通过分子生物学,X射线晶体学,时间分辨FTIR光谱学和生物分子模拟的组合能够观察到这一点。他们在当前的国际在线版Angewandte Chemie上报道。

质子驱动蛋白质涡轮机

质子二极管在细胞的能量产生中起重要作用。光驱质子泵 - 穿过细胞膜的某些蛋白质 - 将质子从细胞中排出,从而产生过大的压力,“就像大坝的水压一样,”Gerwert教授解释说。在其他地方,质子推回细胞以补偿浓度梯度,从而驱动细胞的涡轮机,称为ATP酶的蛋白质。由此释放的能量转化为细胞的通用燃料ATP(三磷酸腺苷)。“这个过程是一种古老的光合作用”Gerwert教授解释道。“光能最终转化为有机体的可用能量。”

这些过程的细节是研究的主题。特别是,水分子在蛋白质中的作用一直不清楚。“以前人们认为,水分子偶然会错误地进入蛋白质,并且没有特定的功能,”Gerwert说。Manfred Eigen于1967年出生于波鸿,因其能够解释为什么水和冰质子是如此快速的导体而被授予诺贝尔化学奖。目前的工作表明,蛋白质也正是使用这种机制,水分子确实在蛋白质中发挥了积极作用。

水和氨基酸一样重要

这一结果支持了克劳斯·格威特于2006年在“ 自然”杂志中提出的假设,即蛋白质结合水分子是蛋白质作为氨基酸功能的重要催化元素,氨基酸是生命的基石。因此,波鸿生物物理学家将他们在Angewandte Chemie的工作投入Manfred Eigen。Eigen还于1964年发表了关于Angewandte Chemie水中质子转移的中心论文.Klaus Gerwert的灵感来自Manfred Eigen在克洛斯特斯的冬季研讨会。

电影而不是固定的图像

波鸿研究人员通过分子生物学,X射线晶体学,时间分辨FTIR光谱学和生物分子模拟的结合,以跨学科的方法取得了成果。该组合显示了在原子分辨率的光激发后蛋白质中的动态过程。“你可以追踪质子是如何从蛋白质中的中心质子结合位点通过氨基酸然后通过质子化水簇转移到膜表面的,”Gerwert教授说。跨学科方法现在正在扩展结构生物学,X射线晶体学和核磁共振光谱(NMR)的经典方法,因为它提供了完整的胶片而不仅仅是固定的蛋白质图像。波鸿的实验在上海得到了计算机模拟的补充。

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