Как ионы кальция блокируют натриевые каналы в мембранах клеток
Ионные каналы — это структуры в клеточных мембранах, которые позволяют специфическим ионам перемещаться в клетку и из неё. Такой перенос необходим для множества физиологических процессов, таких как сокращение мышечных клеток и нервное возбуждение. В так называемых тетрамерных катионных каналах ионная селективность обеспечивается уникальным структурным и химическим окружением участка, известного как селективный фильтр, расположенного между двумя переплетёнными спиральными структурами.
Тетрамерные ионные каналы подвержены "блокаде двухвалентными катионами" — блокировке канала такими ионами, как кальций (Ca2+). Такая блокада нарушает работу канала, что, в свою очередь, может вызвать клеточную дисфункцию. Как именно происходит эта блокада, до сих пор неясно — в частности, прямое наблюдение за катионом, фактически блокирующим ионный путь, ещё не было описано.
Теперь Такаши Сумикама из Университета Канадзавы в сотрудничестве с Кацумасой Ири из Медицинского университета Вакаяма и коллегами обнаружили механизм блокады двухвалентными катионами в NavAb, хорошо известном тетрамерном натриевом (Na) канале. С помощью структурного анализа и компьютерного моделирования исследователи смогли выявить соответствующие структурные особенности и молекулярные процессы. Они сообщили о своих выводах в Nature Communications.
NavAb — это натриевый канал, клонированный из бактерии (Arcobacter butzleri), с хорошо известной структурой. Коллеги Сумикамы и Ири провели эксперименты с NavAb и тремя его мутантами. Структуры мутантов были определены для сред с кальцием и без него. Учёные сосредоточились на различиях в электронной плотности для разных структур, так как это даёт представление о локализации ионов кальция.
Они обнаружили, что у мутантов, проявляющих кальциевую блокаду, один или два иона кальция расположены в нижней части селективного фильтра. Они также выяснили, что ионы магния (Mg2+) и стронция (Sr2+), два других двухвалентных катиона, блокировали мутантные натриевые каналы, чувствительные к кальцию.
Затем исследователи провели компьютерное моделирование, чтобы получить детальное понимание взаимодействия между ионами кальция и мутированными каналами NavAb. Моделирование воспроизводит динамику прохождения ионов — или их непрохождения — через канал. В отсутствие ионов кальция наблюдалось проникновение ионов натрия через канал.
В присутствии ионов кальция проникновение значительно снижалось у мутантов с кальциевой блокадой. Моделирование также подтвердило, что блокирующие ионы кальция "застревают" в нижней части селективного фильтра, и показало, что это "застревание" связано с повышенной гидрофильностью (сродством к воде) соответствующих структурных частей мутированных каналов.
Результаты работы коллег Сумикамы и Ири представляют собой важный шаг на пути к полному пониманию механизма блокады двухвалентными катионами в NavAb, важном и репрезентативном натриевом ионном канале. По словам учёных: "Наши результаты и методы структурного анализа и молекулярно-динамического моделирования… ожидаемо сыграют активную и значимую роль в углублённом анализе механизма блокады двухвалентными катионами".