Наши клетки нуждаются в ионах калия, например, для передачи нервных импульсов или для контроля частоты сердечных сокращений. Вот почему практически каждая клетка человека, а точнее мембрана клетки, снабжена калиевыми каналами.
Поскольку калиевые каналы имеют фундаментальное значение для биологических процессов, и даже самые незначительные изменения могут привести к серьезным заболеваниям, крошечные молекулы белка являются центром исследований во всем мире. Действительно, в 2003 году исследователь из США был удостоен Нобелевской премии по химии за объяснение структуры калиевых каналов.
Спорные дебаты о двух разных механизмах
Однако вопрос о том, как на самом деле калий проходит через канал, чтобы пересечь клеточную мембрану, все еще оставался неясным.
Долгое время считалось, что за каждым ионом калия следует молекула воды, а затем элементы выстраиваются в линию, как звенья цепи, и проходят через самую узкую часть калиевого канала, так называемый фильтр селективности. один за другим. Это было основано на том факте, что ионы калия заряжены положительно и отталкиваются друг от друга без промежуточных молекул воды.
Однако этот механизм был поставлен под сомнение в 2014 году исследователями Геттингена во главе с проф. Берт де Гроот: Компьютерное моделирование показало, что в фильтре селективности калиевых каналов отсутствуют молекулы воды.
Однако на этом дебаты не закончились. Впоследствии были опубликованы дополнительные исследования, которые, казалось, поддерживали старый механизм и явно опровергали новый.
Теперь исследователи из FMP в Берлине внесли ясность в противоречивые дебаты: доктор. Карл Остер и Китти Хендрикс из проф.
Исследовательская группа Адама Ланге и другие коллеги из FMP смогли впервые показать с помощью твердотельной ядерно-магнитной резонансной (ЯМР) спектроскопии, что ионы калия действительно мигрируют по калиевым каналам без промежуточных молекул воды. Их результаты показывают, что ионы калия расположены непосредственно друг за другом и проталкивают друг друга через калиевый канал снизу вверх.
В естественных условиях фильтр селективности калиевых каналов не содержит воды
«Используемая нами технология позволяет нам изучать мембранные белки в реальных клеточных мембранах в естественных условиях, например, при комнатной температуре или физиологических концентрациях соли», – объясняет Китти Хендрикс. «Таким образом, мы смогли показать, что в этих условиях определенно нет воды между ионами калия в селективном фильтре."
Первые признаки этого пришли из компьютерного моделирования, а также есть данные рентгеновской кристаллографии, свидетельствующие об отсутствии молекул воды в фильтре селективности калиевых каналов. «Однако эти исследования проводились в искусственных условиях», – подчеркивает д-р.
Карл Остер. "С нашими дополнительными данными, полученными с помощью ЯМР-спектроскопии, у нас теперь есть веские аргументы в пользу того, что новый механизм является правильным."
Исследователи FMP и их коллеги из Института биофизической химии Макса Планка под руководством проф. Берт де Гроот, чье компьютерное моделирование молекулярной динамики также было включено в исследование, продемонстрировал, что между ионами калия нет молекул воды.
Прогресс в исследованиях
Важным фактором в выяснении этого механизма был тот факт, что FMP является одним из ведущих мировых центров спектроскопических исследований ЯМР и участвует в постоянном дальнейшем развитии этой сложной технологии. «Пять лет назад мы, конечно, не смогли бы продемонстрировать это таким образом, но теперь мы достигли точки, в которой мы можем эффективно ответить на этот важный вопрос», – сказал проф. Адам Ланге, глава исследовательской группы, которая занимается изучением мембранных белков, таких как ионные каналы.
Он добавляет: «Поскольку процессы в калиевых каналах имеют фундаментальное значение для нашего здоровья, наши результаты имеют большое значение, которое также выходит за рамки фундаментальных исследований."
Работа выполнена при финансовой поддержке Европейского исследовательского совета в рамках гранта ERC проф.
Ланге и Немецким исследовательским фондом (DFG; Research Group 2518).