Белки оказались способны «структурировать» воду, чтобы переносить протоны

В последнее десятилетие несколько научных групп на Западе и в Бразилии показали, что при приложении большого электростатического поля в воде наблюдается резкий рост интенсивности так называемых трансляционных колебаний, частота которых находится в дальнем инфракрасном спектральном диапазоне.

Одновременно с этим образуется большое количество протонов, сольватированных одной молекулой воды, то есть соединенных с ней. «Вернувшись к своим давно опубликованным данным, мы обнаружили, что аналогичный рост интенсивности трансляционных колебаний наблюдается только в тех белках, которые отвечают за транспорт электронов и протонов.

Замечательным является то, что им для такого структурирования воды не требуется внешнее поле», — рассказывает руководитель исследования, ведущий научный сотрудник МФТИ Константин Мотовилов. Так, протон через мембрану митохондрий (энергетических станций клетки) переносит АТФ-синтетаза, которая при этом производит молекулы АТФ. Этот белок изучают давно, однако до сих пор оставалось неясным, в какой именно форме через него и внутри мембраны органеллы перемещается протон. «Полученные нами данные в терагерцовом и инфракрасном диапазоне частот говорят о том, что эффективный перенос протонов осуществляется в форме катионов гидроксония Н3О+.

В случае дальнейшего гидратирования протона с образованием более тяжелого катиона Цунделя H5O2+ мобильность зарядов значительно снижается. По-видимому, живые системы научились использовать эти особенности взаимодействия протонов с водой и выстроили вокруг них свою энергетику», — говорит Зарина Гагкаева, первый автор исследования, аспирант МФТИ.

Нарушения в работе цепей переноса зарядов в митохондриях лежат в основе множества патологических процессов, приводящих к онкологическим заболеваниям, преждевременному старению тканей, различным миопатиям. Работа ученых из МФТИ помогает на новом уровне взглянуть на энергетику биологических мембранных процессов.