Новое исследование ставит под сомнение «устоявшийся» механизм селективности клеточных ионных каналов
Ионные каналы в клеточных мембранах всех организмов играют ключевую роль в фундаментальных физиологических процессах, таких как сердцебиение и проведение сигналов по нейронам. Важнейшее свойство этих каналов — их селективная проводимость, то есть способность избирательно пропускать определённые ионы. Например, калиевые каналы легче пропускают ионы калия (K+), чем ионы натрия (Na+), несмотря на больший размер K+.
Механизмы, лежащие в основе такой высокой селективности, до сих пор оставались не до конца ясны. Как отмечает профессор Университета Фукуи Сигэтоси Оики, «ионная селективность представляет собой фундаментальный вопрос для понимания работы канальных белков». Совместное исследование учёных из Университета Фукуи и Университета Канадзавы под руководством профессора Оики, готовящееся к публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences, даёт новые прорывные данные о прохождении ионов натрия через калиевые каналы. Результаты бросают вызов давнему представлению о строгой селективности калиевых каналов и могут изменить базовые научные концепции, преподаваемые в вузах.
Экспериментальные данные
Для эмпирического изучения прохождения Na+ через калиевые каналы исследователи провели эксперименты с искусственной клеточной мембраной, содержащей калиевый канал KcsA. Анализ электрических токов через канал подтвердил, что ионы натрия действительно могут через него проходить.
Согласно большинству учебников биологии, калиевые каналы в десять тысяч раз более проницаемы для K+, чем для Na+. Однако эксперименты показали, что проводимость одиночного канала для ионов натрия составляет одну восьмидесятую от проводимости для ионов калия. Это указывает на то, что селективность канала была значительно переоценена.
Компьютерное моделирование
Чтобы понять механизм движения ионов, учёные провели компьютерное моделирование канала KcsA. Модели подтвердили, что несколько ионов калия легко проходят через канал по прямому пути.
Однако для ионов натрия модель выявила сложный, извилистый маршрут с участками, где ионы могут временно «застревать», и их выход происходит очень медленно. Эти результаты моделирования объясняют, почему ионы калия проходят через канал в сто раз легче, чем ионы натрия.
Значение исследования
Как заявил профессор Оики: «Мы опровергли статическое предположение о строгой селективности калиевого канала. Наше исследование впервые продемонстрировало проникновение ионов натрия через калиевый канал и его атомный механизм».
Полученные данные имеют важное значение не только для фундаментальной науки. Они могут оказать влияние на медицинские исследования, учитывая существование «каналопатий» — заболеваний, связанных с нарушением работы ионных каналов, которые затрагивают миллионы людей во всём мире.