Новая молекулярная карта раскрывает, как клетки выбрасывают калий

Новое исследование из Лаборатории молекулярной нейробиологии и биофизики Родерика МакКиннона в Рокфеллеровском университете впервые определило полную структуру ионного канала, который играет важную роль в клеточной электрической сигнализации, выбрасывая ионы калия из клетки с чрезвычайно высокой скоростью.

Работа раскрывает новые детали о том, как работает эта молекула, что ведет к более глубокому пониманию связи между мембраной и процессами внутри клетки, включая кальциевую регуляцию электрических сигналов, центральную для мышечного сокращения и нейронной активности. Результаты описаны в двух статьях, опубликованных в Nature 14 декабря.

Калиевые каналы регулируют возникновение электрических импульсов и завершают их. Один из таких каналов, известный как BK или "большой калиевый" канал, проводит ионы на уровне, в 20 раз превышающем другие калиевые каналы. Для этого BK реагирует на два отдельных триггера — электрическую активность на клеточной мембране и уровень кальция — и объединяет их.

Когда BK работает неправильно, клетки могут стать гиперактивными, так как не могут выключить свои электрические импульсы. Это способствует развитию таких заболеваний, как гипертония, наследственная форма астмы и гиперактивный мочевой пузырь, при которых гладкие мышцы в сосудистой системе, дыхательных путях или мочевом пузыре становятся сверхактивными.

Кристаллы не нужны

МакКиннон начал пытаться определить структуру этого канала, включая туннелеобразную пору, через которую движутся ионы, около 15 лет назад; но новая технология визуализации сделала это возможным только сейчас. Десятилетиями ученым для определения структуры белков приходилось выращивать из них кристаллы. Однако, как часто бывает с крупными белками, BK "не сотрудничал", и его не удалось кристаллизовать.

Благодаря недавно разработанному подходу — крио-электронной микроскопии — исследователям больше не нужны кристаллы. Вместо этого они могут замораживать молекулы во льду. Используя современное оборудование в Центре ресурсов крио-электронной микроскопии Эвелин Грасс Липпер, МакКиннон, научный сотрудник Сяо Тао и постдок Ричард Хайт создали трехмерную реконструкцию расположения атомов в BK. Эта молекулярная структура атомарного масштаба помогает объяснить, как BK способен выбрасывать так много калия по сравнению с другими ионными каналами.

Раскрытые молекулярные секреты

"Пора внутри BK намного шире, чем у других калиевых каналов. Фактически, она образует широкую воронку, которая открывается внутрь клетки", — говорит Тао. — "И поверхность воронки несет отрицательный заряд, который притягивает положительно заряженные ионы калия изнутри клетки к поре".

Чтобы калий протекал через BK, пора канала должна открыться. Это происходит в ответ на два триггера: кальций (другой важный для клеточной сигнализации ион) и изменение напряжения на клеточной мембране, которое происходит при генерации клеткой электрического импульса.

После связывания с ионами кальция канал сжимается, меняя форму таким образом, что его части оттягиваются наружу, и пора расширяется.

Хотя исследователи не могли напрямую наблюдать, как канал реагирует на изменение напряжения, структура дала ключи к объяснению этого механизма открытия. Чувствительность и к кальцию, и к напряжению, скорее всего, позволяет каналу точно настраивать свои ответы.

"Исследователи пытались лечить ряд состояний, разрабатывая препараты для активации BK, но пока без успеха", — говорит Хайт. — "Имея атомную структуру BK, у нас теперь есть карта, которая направит эти усилия, помогая понять, какие части канала можно наиболее эффективно нацелить".

МакКиннон начал изучать функциональные свойства этого канала еще будучи постдоком. "BK — это первый калиевый канал, который я изучал, поэтому наблюдать его молекулярную структуру невероятно приятно", — говорит МакКиннон, профессор Джона Д. Рокфеллера-младшего, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и лауреат Нобелевской премии по химии 2003 года.