Исследователи доказали отсутствие молекул воды между ионами в селективном фильтре калиевых каналов
Проходят ли ионы калия через селективный фильтр калиевого канала в одиночку или между ними есть молекулы воды? Этот вопрос был предметом споров в течение многих лет. Исследователи под руководством профессора Адама Ланге из Института молекулярной фармакологии им. Лейбница (FMP) в Берлине теперь продемонстрировали, что молекулы воды не мигрируют совместно через калиевый канал. Поскольку эксперименты впервые проводились на клеточных мембранах в естественных условиях, у исследователей есть веские доказательства. Их работа только что опубликована в журнале Science Advances.
Нашим клеткам нужны ионы калия для передачи нервных импульсов и контроля частоты сердечных сокращений, среди других функций. Практически каждая клеточная мембрана человека оснащена калиевыми каналами. Поскольку калиевые каналы имеют фундаментальное значение для биологических процессов, и даже малейшие изменения могут привести к серьезным заболеваниям, эти крошечные белковые молекулы находятся в центре исследовательских усилий по всему миру. В 2003 году американский исследователь получил Нобелевскую премию по химии за выяснение структуры калиевых каналов.
Спор о двух разных механизмах
Однако вопрос о том, как калий фактически проходит через канал, чтобы пересечь клеточную мембрану, оставался неясным. Долгое время предполагалось, что за каждым ионом калия следует молекула воды, и элементы затем выстраиваются в цепочку и проходят через самую узкую часть калиевого канала, так называемый селективный фильтр, один за другим. Это было основано на том факте, что ионы калия положительно заряжены и отталкивались бы друг от друга без промежуточных молекул воды. Однако этот механизм был поставлен под сомнение в 2014 году исследователями из Гёттингена под руководством профессора Берта де Гроота: компьютерное моделирование показало, что в селективном фильтре калиевых каналов нет молекул воды. Однако это не положило конец дебатам. Впоследствии были опубликованы дополнительные исследования, которые, казалось, поддерживали старый механизм и, по-видимому, опровергали новый.
Теперь исследователи из FMP в Берлине внесли ясность в дискуссию: доктор Карл Эстер и Китти Хендрикс из исследовательской группы профессора Адама Ланге и другие коллеги в FMP использовали спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в твердом теле, чтобы показать, что ионы калия действительно мигрируют через калиевые каналы без молекул воды между ними. Их результаты показывают, что ионы калия расположены непосредственно друг за другом и проталкивают друг друга через калиевый канал снизу вверх.
«Технология, которую мы использовали, позволяет нам изучать мембранные белки в реальных клеточных мембранах в естественных условиях, например, при комнатной температуре или физиологических концентрациях солей», — объясняет Китти Хендрикс. «Таким образом, мы смогли показать, что при этих условиях между ионами калия в селективном фильтре определенно нет воды».
Первые указания на это появились из компьютерного моделирования и данных рентгеновской кристаллографии, предполагающих отсутствие молекул воды в селективном фильтре калиевых каналов. «Однако эти исследования проводились в искусственных условиях», — говорит доктор Карл Эстер. «С нашими дополнительными данными, полученными с помощью спектроскопии ЯМР, у нас теперь есть весомый аргумент в пользу того, что новый механизм является правильным».
Исследователи FMP и их коллеги из Института биофизической химии им. Макса Планка под руководством профессора Берта де Гроота, чье компьютерное моделирование молекулярной динамики также было включено в исследование, продемонстрировали, что между ионами калия нет молекул воды.
«Пять лет назад мы, конечно, не смогли бы продемонстрировать это таким образом, но теперь мы достигли точки, когда можем эффективно ответить на этот важный вопрос», — сказал профессор Адам Ланге, руководитель исследовательской группы, которая занимается изучением мембранных белков, таких как ионные каналы. Он добавляет: «Поскольку процессы в калиевых каналах фундаментальны для нашего здоровья, наши результаты имеют большое значение, выходящее за рамки фундаментальных исследований».