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关于“水管”的新发现与几十年来被接受的计算模型相矛盾

关于“水管”的新发现与几十年来被接受的计算模型相矛盾

我们的每个细胞都被一个复杂的膜所包围,这个膜起着生物边界的作用,让离子和营养物质(如盐、钾和糖)进进出出。这些保卫分子是膜蛋白,它们做着允许或阻止这些分子流动的艰苦工作。

成串的水分子,称为水丝,在这个过程中扮演着重要的角色,这被认为是很好的理解。现在,位于佛罗里达州立大学的国家高磁场实验室(MagLab)的一个团队正在颠覆几十年来关于它们如何与蛋白质相互作用的假设。

他们的论文发表在今天的《美国国家科学院院刊》上。

虽然科学家们知道水丝在将营养物质输送到细胞膜的过程中发挥了作用,但他们大大低估了它们与细胞膜通道的相互作用。研究人员说,这一发现具有广泛的影响,并对现有的水在其他蛋白质中如何运动的模型提出了质疑。

从生物学的角度来看,这一点非常有趣。通讯作者蒂姆·克罗斯说,他是国家磁实验室塔拉哈塞核磁共振(NMR)设施的主任,也是罗伯特·o·劳顿的化学教授。现在我们知道,水和孔隙里的蛋白质氧原子之间的相互作用比任何人预想的都要强烈得多。这将会影响这些蛋白质的功能。

这项工作也很重要,克罗斯补充说,因为它展示了一个独特的,世界纪录的磁铁,被称为串联混合(SCH),是如何让科学家了解蛋白质和其他生物系统的新细节。

他们的研究集中在gramicidin A,一种呈螺旋状的抗生素肽(或小蛋白)。这两个分子一个叠在另一个上面,在某些细胞膜上形成一个狭窄的通道,离子可以通过这个通道进出。在这一过程中,一个跨越通道长度的8个分子长的水丝起着润滑剂的作用。这些水分子中的氢原子与包围它们的革兰氏色素中的氧原子结合。水分子的方向被认为是极快的翻转,与克米西定中的氧原子结合和不结合的速度是十亿分之一秒。

然而,当MagLab团队仔细观察这个系统时,他们发现了一些东西,让人们对主流观点产生了怀疑。他们的第一个线索出现在大约两年前,当时与克罗斯合作的MagLab博士后研究员琼娜·保利诺(Joana Paulino)把一些经过特殊处理的格拉米星a放入了学校,并进行了一些核磁共振实验。

科学家们使用核磁共振仪来更好地了解蛋白质和病毒等复杂分子的结构和功能。例如,他们可以调整机器来识别样品中所有的钠原子,以及它们相对于其他原子的方向。每个原子都向机器发回一个泄露秘密的信号。

但是有些原子比其他原子更容易被核磁共振检测到。例如,氧气是很难看到的。因此,直到最近,人体中最具生物活性的原子之一对核磁共振来说几乎是不可见的。由于一个强大的磁体产生了36特斯拉(磁场强度的单位)的磁场,这台机器可以看到。氧气。

波利诺所观察的特定克莱顿样品早在几年前就在MagLab的另一个强大的核磁共振磁体中得到了深入研究。克罗斯在gramicidin上的研究奠定了他的职业生涯,众所周知,gramicidin是一种完美对称的结构:他最不希望看到的是惊喜。

gramicidin样品由两个相同的、堆叠的螺旋分子组成。波利诺检测了两个原子上完全相同的氧原子,希望灵敏度更高的SCH能探测到这两个原子发出的信号,比之前观测到的更清晰。

但她并没有只看到一个氧气信号:她看到了两个。

乍一看,研究结果似乎表明完全对称的克米克定模型出了问题。在他的任期内赢得赞誉的模特。他对波利诺的测量结果的第一反应是:“哦,那一定是错的。

他的下一个想法是:或者,这可能是一件非常有趣的事情。

反复试验表明,波利诺的第一个结果确实是正确的。但这并不是因为分子是不对称的。相反,SCH是如此的敏感以至于它检测到一个信号来自与电线相连的革兰氏定氧,另一个信号来自与电线不相连的革兰氏定氧。

该团队花了数年时间进行更多的实验,以确保他们理解所看到的东西。

每次我们在不同的氧点检测格拉米星的样品时,我们看到两个峰,我们跳起舞来。保利诺说,他是这篇论文的第一作者,现在是加州大学旧金山分校生物化学和生物物理学的博士后学者。

研究人员认为,SCH能够探测到结合氧的信号,这一事实意味着水丝和gramacidin A的孔壁之间的相互作用更强,持续时间更长。事实上,它比科学家们所认为的还要长100多万倍。

与这一过程有关的能量显然不同于人们的想象。十字架说。所以,我们现在需要回过头来研究一下能量学,以及这些水丝是如何工作的。

这一发现与许多其他类型的蛋白质有关,这些蛋白质的细胞膜上有水丝。

令人兴奋的是,现在我们可以真正开始思考蛋白质中其他所有的水丝,它们传导着生命所必需的离子。克罗斯说,并了解这将如何影响这些相互作用和电导率。

克罗斯说,这些发现可能会引起一些科学家的不满,因为它们与已经被人们接受了几十年的水分子动力学计算模型相矛盾。

科学家对很多事情都有很好的理解。交叉解释道。但每隔一段时间,就会有一些事情突然出现,迫使我们重新思考。目前还没有任何迹象表明这些计算机研究存在问题。直到这.”

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参考文献:2020年5月12日,《美国国家科学院院刊》。

DOI: 10.1073 / pnas.2001083117

其他对本文有贡献的作者有:普庆国立大学的明基一;MagLab的Ivan Hung和Zhehong Gan;王晓玲,曾供职于MagLab,现就职于加州大学圣巴巴拉分校;韦恩州立大学和俄罗斯科学院的Eduard Chekmenev;以及芝加哥伊利诺伊大学的周焕祥教授。

国家高磁场实验室由国家科学基金会和佛罗里达州资助,在佛罗里达州立大学、佛罗里达大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室开展工作。

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