Как живые клетки решили проблему «иголки в стоге сена» для генерации электрических сигналов
Учёные выяснили, как кальциевые каналы — крошечные поры в клеточной мембране, генерирующие электрические сигналы за счёт контролируемого притока заряженных частиц, — решили проблему «иголки в стоге сена».
Решение этой давней загадки опубликовано в онлайн-версии журнала Nature от 24 ноября исследователями из Вашингтонского университета и Медицинского института Говарда Хьюза. Старшими исследователями выступили д-р Нин Чжэн, известный специалист по рентгеновской кристаллографии, и д-р Уильям Каттеролл, пионер в исследовании ионных каналов; проект возглавили д-р Лин Тан и д-р Тамер Гамаль Эль-Дин.
Клетки сердечной мышцы находятся во внеклеточной жидкости, где концентрация ионов натрия в 70 раз выше, чем ионов кальция. Несмотря на почти одинаковый диаметр ионов кальция и натрия, кальциевые каналы с поразительной скоростью пропускают преимущественно гораздо менее распространённые ионы кальция. Ионы кальция устремляются через потенциал-зависимые кальциевые каналы клеток со скоростью более одного миллиона ионов в секунду.
«Как кальциевым каналам удаётся решить эту фундаментальную биофизическую проблему, долгое время оставалось открытым вопросом в клеточной физиологии», — заявил Каттеролл. Ответ важен как для науки, так и для медицины.
Скорость и точность, с которой эти каналы избирательно фильтруют ионы кальция, имеют решающее значение для многих биологических процессов, в которых клетки взаимодействуют, объяснил Каттеролл. Мышечные сокращения, включая ритм сердца, секреция гормонов, нервные и мозговые импульсы — всё это зависит от способности этих конкретных каналов пропускать кальций и задерживать натрий. Кальциевые каналы также являются мишенью для многих лекарств от эпилепсии, гипертонии, болезней сердца и других серьёзных состояний.
Исследователи отметили, что натриевые и кальциевые каналы у животных, вероятно, эволюционировали из единого предкового типа натриевого канала в бактериальных клетках и сохранили сходные структуры и функции.
Каттеролл сообщил, что исследовательская группа внесла всего три мутации в 274 аминокислотных остатка бактериального натриевого канала, чтобы создать кальциевые каналы.
«Мы подумали, что если поместить правильные остатки в правильные места, структура должна будет приспособиться, и мы сможем изменить канал, сделав его селективным к кальцию вместо натрия», — сказал Каттеролл. «К счастью, это сработало. Мы воссоздали канал с полными физиологическими свойствами кальциевых каналов».
Затем они провели электрофизиологический и рентгено-кристаллографический анализы, чтобы понять, как выглядит канал и как он работает. Сотрудники пучковой линии Advanced Light Source Министерства энергетики США в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Калифорния) помогли в сборе этих данных.
Команде удалось определить, как устроен фильтр, селективный к кальцию, и описать путь, вероятно, проходимый ионами кальция через пору.
Исследователи сообщают, что ионы кальция проходят через три сайта связывания:
- Первый сайт во внешнем вестибюле у входа в пору критически важен для распознавания и избирательного допуска ионов кальция в канал и отсеивания натрия.
- Второй сайт внутри поры поддерживает эту роль. Он однозамещённый. Ион кальция там быстро выбивается отталкивающим взаимодействием с другим ионом кальция, приближающимся снаружи клетки (по принципу игры в пинбол), хотя он и стремится там связаться.
- Третий сайт с более низким сродством связывания позволяет ионам кальция перемещаться внутрь клетки.
Поток ионов ускоряется благодаря последовательному расположению этих трёх сайтов связывания. Поток идёт только в одном направлении, потому что концентрация ионов кальция снаружи клетки намного выше, чем внутри. В любой момент времени ионы также должны находиться в определённых, взаимоисключающих позициях — на сайте 1 и 3, но не на сайте 2, или на сайте 2 и во внешнем вестибюле, но не на сайтах 1 и 3.
«Они движутся быстро, потому что сталкиваются друг с другом», — сказал Каттеролл. «Движение миллионов молекул в секунду генерирует 15 пикоампер — ничтожный электрический ток, всего в одну триллионную долю тока в розетке, но достаточный для запуска клеточного сигнала».
«Детали структуры точно рассказали нам, как ионы кальция проходят через этот конкретный тип клеточной мембранной поры и почему ионы натрия — нет», — добавил Чжэн. «Мы были удивлены и довольны, что это, кажется, ясно разрешает важный механизм, который долгое время оставался неясным».
Исследование проводилось на бактериальном ионном канале, потому что ионные каналы млекопитающих были бы слишком велики и сложны, чтобы служить моделью для получения структурных данных, по словам Чжэна и Каттеролла. Подход команды был «сокращённым путём» для получения необходимой информации. Новое понимание, вероятно, будет применимо в таких различных научных областях, как нейронауки, эндокринология, сердечно-сосудистая физиология и клеточная биология.
«Эта информация также может быть важна для разработки новых лекарств, действующих на кальциевые каналы», — сказал Каттеролл. «Понимание структуры и функции кальциевого канала может помочь исследователям более точно нацеливать лекарства на связывание с определёнными областями канала для выполнения их терапевтических действий. Эти новые соединения могут работать лучше и с меньшими побочными эффектами. Например, исследователи надеются разработать более безопасные лекарства от хронической боли».