Ранняя пташка или ночная сова? Циркадный ритм - внутренние биологические "часы", которые контролируют, в частности, время сна и бодрствования - является предметом восхищения, а иногда и разочарования для многих из нас.
Но люди далеко не одиноки - все организмы, от растений до микробов, имеют внутренние часы, которые формируют их повседневные ритмы, как Земля вращается вокруг своей оси. Недавно ученые из Национального института естественных наук Японии подробно рассмотрели, как циркадный ритм функционирует у цианобактерий - фотосинтезирующих бактерий, которые обычно живут как в соленой, так и в пресной воде.
У цианобактерий работают самые простые из известных циркадных часов, управляемые тремя белками, называемыми KaiA, KaiB и KaiC. Циркадные часы важны для этих крошечных существ, потому что днем они занимаются фотосинтезом, для которого требуется солнечный свет и вырабатывается кислород, а ночью - фиксируют азот. Циркадный ритм создается путем добавления и удаления фосфатных химических групп KaiC в течение примерно 24-часового цикла. KaiA помогает KaiC добавлять фосфатные группы, а KaiB противодействует активности KaiA. Другие белки отслеживают сигналы из окружающей среды, например, свет, и передают их белкам Kai для точной настройки часов.
В начале цикла KaiA связывается с KaiC и стимулирует KaiC добавлять к себе фосфатные группы. По мере развития цикла KaiB также связывается с KaiC, и KaiC начинает удалять свои фосфатные группы. Как только это происходит, KaiC и KaiB расходятся, и цикл начинается снова. В этом процессе KaiC использует энергию, запасенную в молекуле аденозинтрифосфата (АТФ). При разрыве связи в АТФ высвобождается энергия для других химических реакций. Таким образом, добавление и удаление фосфатных групп (известное как фосфорилирование и дефосфорилирование, соответственно) и потребление энергии при гидролизе АТФ являются ключевыми химическими реакциями в циркадном ритме цианобактерий.
Когда KaiC связывается с различными белками и добавляет и удаляет фосфатные группы, его форма слегка изменяется в процессе, известном как аллостерия. В новой работе исследовательская группа использовала кристаллографию белка для изучения аллостерии в KaiC на атомном уровне. KaiC был кристаллизован в восьми различных состояниях, чтобы понять аллостерические изменения в циклах фосфорилирования и гидролиза АТФ. Группа обнаружила, что эти два цикла тесно связаны друг с другом, как две шестеренки в машине. Эти два процесса связаны через изменения в водородных связях внутри KaiC.
"Поскольку белки состоят из огромного количества молекул, нелегко понять механизмы их сложных, но упорядоченных функций", - говорит соавтор работы Йошихико Фуруике, доцент Института молекулярных наук при Национальном институте естественных наук. "Нам нужно терпеливо отслеживать структурные изменения белков".
Полученные результаты могут быть полезны для понимания белков циркадных часов на всем древе жизни, включая млекопитающих и растения. "Логика взаимосвязи между динамикой KaiC и функциями часов может быть применена в других исследованиях на различных организмах", - отмечает Фуруике.
