Новый взгляд на центральную биологическую догму о транспорте ионов
Новые результаты исследований Орхусского университета и Нью-Йоркского университета показывают, как активный транспорт калия может осуществляться белковым комплексом мембраны, имеющим черты как суперсемейств ионных насосов, так и ионных каналов. Результаты, только что опубликованные в Nature, проливают новый свет на то, что определяет каналы и насосы.
Калий в высокой концентрации содержится во всех клетках и является основным фактором тургорного давления. Слишком много калия — и клетка может лопнуть из-за притока воды; слишком мало — и клетка сморщится, так как вода уходит. Этот осмотический принцип используется также при консервации пищи — солении или сушке мяса, фруктов и овощей.
Поскольку калий практически непроницаем для клеточной мембраны, эволюционировали переносчики калия, опосредующие его поглощение. У одноклеточных организмов механизмы поддержания внутреннего уровня калия очень чувствительны из-за проблем, которые может представлять изменчивая среда. Обычно калиевые каналы создают входящий поток калия, движимый электрохимическим градиентом. Однако в средах с очень низким содержанием калия этот потенциал не может поддерживать входящий поток, и активный транспорт через системы калиевых насосов быстро берет на себя функцию прямого поглощения калия.
Механизм и структура этих систем калиевых насосов плохо изучены, и, согласно анализу последовательностей, они, по-видимому, содержат элементы, относящиеся как к калиевым каналам, так и к более классическим натрий-калиевым насосам, известным у животных. Это озадачивало исследователей десятилетиями, и многие почти сомневались в существовании этих комплексов как функциональной единицы.
Отчасти это связано с тем, как транспорт ионов преподается в биологии как концепция «каналы против насосов». Ионные каналы опосредуют быстрый и пассивный транспорт «под уклон», в то время как ионные насосы опосредуют медленный и активный транспорт «в гору» против электрохимического градиента. Оба процесса относительно хорошо изучены и обычно противопоставляются как совершенно разные сущности.
Суперсемейства каналов и насосов вместе создают активный транспорт ионов
Результаты, опубликованные на этой неделе в Nature, бросают вызов этому удобному разделению и дают ответ на запутанный вопрос о том, как насосы и каналы могут работать вместе в комплексе. Впервые совместное исследование Орхусского университета и Нью-Йоркского университета визуализировало структуру, транспортирующую калий, в которой представители суперсемейств каналов и насосов объединяются в большой комплекс для создания активного транспорта. Одна «насосоподобная» субъединица создает энергетический вклад (подобно мотору), в то время как «каналоподобная» субъединица была перепрофилирована для функционирования в качестве активного переносчика, опосредующего транспорт калия против градиента в 10 000 раз.
«Для меня самая увлекательная часть всего этого — это разрыв с рамками, в которые мы обычно любим помещать наши биологические концепции, — говорит научный сотрудник AIAS и доцент Бьёрн Паньелла Педерсен, входящий в небольшую команду, опубликовавшую результаты. — Это еще один удивительный пример того, что природе нет дела до наших попыток понять ее и классифицировать. Если эволюция может заставить это работать, это происходит».
Результаты основаны на прочном фундаменте предыдущих знаний о функции каналов и насосов. Концепция затворных каналов известна и изучается давно, и действительно, большинство ионных каналов имеют один или несколько затворов как неотъемлемую часть своей физиологической функции. Точно так же хорошо описан молекулярный механизм работы ионных насосов. Новые результаты внезапно позволяют увидеть, как затворы каналоподобной субъединицы могут быть связаны с насосоподобной субъединицей, которая может последовательно контролировать их открытие и закрытие. Это создает сильную связь между открытием/закрытием затвора, распознаванием/связыванием субстрата и затратами энергии. Это все характерные черты активного транспорта, известные из других насосных систем, но здесь они работают только если все элементы комплекса собраны вместе.
«Это была одна из самых сложных, но и самых полезных структур, с которыми мне когда-либо доводилось работать. Из этого вышло так много новых идей, и интерпретация результатов была сложной, потому что нам действительно нужно было мыслить нестандартно, — говорит Бьёрн с улыбкой, прежде чем продолжить. — Дэвид [проф. Дэвид Стоукс] был ключом к этому, так как он работал над комплексом много лет и обладает обширными знаниями о тонкостях системы. Это было настоящее командное усилие, и мы продолжим наше сотрудничество, чтобы углубить наши знания о том, что заставляет этот комплекс работать, на основе идей, которые у нас есть сейчас».