Strukturelle og dynamiske forskelle mellem selektive og ikke-selektive ionkanaler

De fleste ionkanaler er meget selektive med hensyn til de ioner, der måske eller måske ikke passerer gennem dem. De kan være ledende for kaliumioner og ikke-ledende for natriumioner, eller omvendt. Imidlertid, et antal ionkanaler giver mulighed for effektiv passage af begge slags ioner. Hvordan opnår disse kanalproteiner dette? Et team af forskere omkring Dr. Han Sun og forskergruppen for professor Adam Lange ved Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) fandt svaret på dette spørgsmål.

Deres undersøgelse afslørede strukturelle og dynamiske forskelle mellem selektive og ikke-selektive ionkanaler. Forskerne beskrev deres resultater og konklusioner i tidsskriftet Naturkommunikation . I ikke-selektive kanaler, selektivitetsfilteret udviser betydelig dynamik, der ikke er til stede i selektive kanaler. Selektivitetsfilteret for ikke-selektive ionkanaler kan eksistere i to forskellige former. Afhængigt af selektivitetsfilterets tilstand, den ene eller den anden iontype kan passere.

Ionkanaler spiller fremtrædende roller i organismer. For eksempel, ionkanaler er i aktion, når organismen registrerer stimuli og sender informationen videre til hjernen i form af elektriske signaler. Under denne signaltransmission, ladede atomer (ioner) skal ind og forlade de involverede celler. Ioner kan ikke gennemtrænge lipofile cellemembraner. I stedet, de passerer gennem proteinkanaler i cellemembranerne.

I mange tilfælde, ionkanalerne tillader kun passage af én specifik iontype, dvs. de kan være ledende for kalium, men ikke for natriumioner eller omvendt. Selektivitetsfilteret, der er den smalleste del af kanalen, er ansvarlig for denne ion-diskrimination. Imidlertid, NaK-kanalen giver mulighed for passage af både natrium- og kaliumioner. Det var i fokus for denne undersøgelse af FMP-forskere omkring Dr. Han Sun og professor Adam Lange sammen med kolleger i Göttingen (Tyskland) og Hefei (Kina).

Ikke-selektive ionkanaler er meget vigtige i medicin.

Indtil nu, det er forblevet kontroversielt, hvorfor NaK-kanaler tillader passage af både natrium- og kaliumioner. Professor Adam Lange forklarer:"Mens røntgenkrystallografiske billeder viste os kanalens tredimensionelle struktur, det var svært at forklare, hvorfor denne kanal er ledende til to forskellige iontyper med ens høj effektivitet. Dette var især svært at forstå, fordi sekvensen og 3D-strukturen af ​​selektivitetsfilteret ligner dem i kaliumselektive kanaler."

Forsker Dr. Han Sun tilføjede, at dette er et modelsystem for flere andre ikke-selektive ionkanaler i den menneskelige krop. I denne sammenhæng, de cykliske nukleotid-gatede og hyperpolarisationsaktiverede cykliske nukleotid-gatede kanaler (CNG- og HCN-kanaler) er medicinsk og fysiologisk relevante. "Vi ved, at CNG-kanaler er vigtige for syn og lugt. Dysfunktionelle HCN-kanaler er impliceret i forskellige neurologiske sygdomme som epilepsi eller autisme."

Specifikke ioner foretrækker specifikke kanalstrukturer

Forskerne brugte en kombination af nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi og computerassisteret molekylær dynamiksimuleringer. Resultaterne afslørede, at NaK-kanalens selektivitetsfilter dynamisk ændrer sig mellem to strukturer. Hver struktur er ledende for en af ​​de to iontyper. Dr. Han Sun siger, "Overraskende nok, computersimuleringerne viste, at kaliumioner, der passerer gennem NaK-kanalen, foretrækker strukturen af ​​en kaliumselektiv kanal, mens mekanismen for natriumionpassagen svarer til passagen af ​​natriumioner gennem en natriumselektiv ionkanal." Indtil nu, forskere mente, at selektivitetsfilterets struktur er den samme for natrium- og kaliumiontransport gennem NaK -kanalen.

For at indsamle yderligere beviser for den afgørende rolle af den dynamiske struktur af NaK-selektivitetsfilteret, forskerne eksperimenterede med en muteret NaK-kanal (NaK2K dobbeltpunktsmutation). Denne muterede NaK-kanal er kun ledende for kaliumioner. Professor Adam Lange redegør for resultaterne:"Vores NMR-undersøgelser afslørede klart, at selektivitetsfilteret for denne kanal kun danner en enkelt struktur."