Первая комплексная транспортная модель кальциевого насоса плазматической мембраны может помочь в разработке новых лекарств
Клетки поддерживают крайне низкий уровень кальция внутри себя, активно выкачивая ионы Ca2+ наружу с помощью высокоскоростных насосов в мембране — плазматических Ca2+-АТФаз (PMCA).
Международная группа исследователей под руководством Штефана Раунзера (Институт молекулярной физиологии Макса Планка) и Бернда Факлера (Университет Фрайбурга) впервые создала комплексную транспортную модель PMCA. Учёные определили её 3D-структуру в различных состояниях активности с помощью крио-электронной микроскопии и отследили работу насоса в живых клетках.
Исследование, опубликованное в Nature, показало, что высокая скорость насоса (до 5000 ионов кальция в секунду) в первую очередь обусловлена взаимодействием с липидом плазматической мембраны PIP2.
Роль кальция и градиент концентраций
Небольшая часть кальция в организме (около 1 кг в основном содержится в костях и зубах) критически важна для множества клеточных процессов: мышечного сокращения, передачи сигналов в нейронах, митоза, экспрессии генов и клеточной сигнализации.
«Разница концентраций между внеклеточным пространством и внутриклеточной средой огромна: уровень кальция внутри клетки может быть в 50 000 раз ниже, чем снаружи», — говорит Факлер. Этот крутой градиент фундаментален для скорости и эффективности кальциевой сигнализации.
Механизм работы «толкача»
Поддержание градиента требует больших энергозатрат. PMCA, используя энергию АТФ, активно «выталкивает» ионы кальция против градиента, подобно тому, как в час пик пассажиров втискивают в переполненный вагон.
Исследователи выявили особенности, обеспечивающие высокую скорость насоса:
- Кальций очень прочно связывается с насосом, что облегчает начало процесса.
- Насос демонстрирует лишь незначительные структурные изменения в цитоплазматических доменах во время цикла транспорта, что ускоряет переходы между состояниями.
- Ключевой фактор — взаимодействие с липидом PIP2, который стабилизирует связывание кальция, но также облегчает его быстрое высвобождение, выступая основным фактором ускорения.
Новые терапевтические возможности
«Хотя кальций играет такую важную роль в здоровье и болезнях, таких как Альцгеймер, Паркинсон, сердечная недостаточность, диабет и рак, в настоящее время существует очень мало стратегий или лекарств для влияния на уровень кальция в клетках», — отмечает Раунзер.
Большинство исследуемых агентов нацелены на кальциевые каналы или другие кальциевые насосы, но не на PMCA.
«Интересно, что мы обнаружили, что сайт связывания PIP2 представляет собой перспективную мишень для воздействия на активность PMCA. Это открывает новые возможности для разработки инновационных препаратов, которые могут либо повышать концентрацию кальция в клетках, либо индуцировать гибель клеток при целевой терапии рака».