У лабораторії, де 50 років тому був відкритий натрій-калієвий насос, отримана його кристалічна структура. Тепер стає зрозумілим механізм перенесення іонів натрію і калію назовні і всередину клітини.
Дослідники з данського університету Аархус в колаборації з групою японських колег встановили структуру найважливішого білка, так званого натрій-калієвого насоса (Na/K-насос, або Na/K АТФ-аза), який присутній в будь-якій клітці людського тіла. Результат, опублікований нещодавно в журналі Nature, може пролити нове світло на розуміння неврологічних хвороб.
Натрій-калієвий насос безперервно працює у всіх клітинах тварин і людей. До 40 відсотків енергії (молекул АТФ) в нашому тілі йде на його підтримку. Робота цього білка багато в чому схожа на роботу маленької батарейки, яка, крім усього іншого, підтримує натрієвий баланс, критично необхідний для підтримки роботи м'язів і нервів.
Білок, що виконує функцію Na/K-насоса, вбудований в мембрану клітини, і займається тим, що переносить іони натрію назовні, а іони калію всередину клітини. На кожному кроці цього циклу структура насоса змінюється. Добре відомо, що насос має дві різних форми. Перша, «натрієва», форма відповідає стану, коли білок «захопив» три іони натрію і готується їх «викинути» назовні. Друга, «калієва», форма виникає, коли білок «викинув» натрій назовні і «захопив» два іони калію для перенесення всередину клітини. Однак структурні відмінності між двома цими формами до останнього моменту були не відомі, і дослідники не розуміли, яким чином білок розрізняє іони натрію і калію.
У 2007 і 2009 роках фахівці з університету Аархус брали участь у дослідженні, яке призвело до розшифровки структури «калієвої» форми білка. Тепер, завдяки міжнародному співробітництву групи професора Чикаші Туошима (Chikashi Toyoshima) з університету Токіо і групи з університету Аарона, була описана структура «натрієвої» форми білка. Вперше вдалося вивчити кристалічну структуру білка з такою високою роздільною здатністю - 0,28 нанометрів, що дозволило побачити, куди насправді прикріплюються іони натрію в насосі.
"Отримана структура білка показує, в якому місці іони натрію зв'язуються з білком, і, отже, яким чином вони транспортуються через мембрану клітини назовні; іонам калію, чий розмір дещо більший, доступ до цих сайтів зв'язування заблоковано. Тепер ми розуміємо, яким чином насос розрізняє іони натрію і калію на молекулярному рівні. Це великий крок вперед для розуміння серйозних неврологічних хвороб, пов'язаних з мутаціями Na/K-насоса, включаючи деякі форми хвороби Паркінсона, а так само перехресні паралічі у дітей, коли є дефекти у зв'язуванні іонів натрію ", - пояснює Бенте Вільсен, професор університету Аархуса, який очолює проект.
Na/K-насос був відкритий в 1957 році професором Єнсом Крістіаном Скоу в університеті Аархуса, який в 1997 отримав за своє відкриття Нобелівську премію. Нинішній результат - кульмінація півстолітньої роботи з вивчення механізму лежачого в основі цієї молекулярної машини.
"Багато років тому, коли за допомогою електронного мікроскопа були отримані перші зображення білка, при 250 000 кратному збільшенні білок виглядав всього лише точкою, і я подумав, що ми ніколи не зможемо визначити його структуру. Оскільки насос займається перенесенням іонів натрію і калію, отже, мова йде про здатність розрізнити між собою два іони. До теперішнього моменту здавалося, що це неможливо ", - говорить професор Єнс Крістіан Скоу. У свої 94 роки він в курсі нових досягнень в області, початок якої він сам поклав 50 років тому.
"Зараз вчені описали структуру, за допомогою якої білок ідентифікує натрій, і це може призвести до більш детального розуміння роботи насоса. Це вражаюче досягнення, про яке я навіть і не міг мріяти ", - підсумовує Єнс Крістіан Скоу
.
На малюнку показано, як виглядає Na/Ka-насос зсередини, коли він зв'язав іони натрію. Доступ до сайтів зв'язування схожий на тунель. Три маленьких іони натрію прикріплено всередині насоса (фіолетові сфери зліва), тоді як розмір іонів калію (зелені сфери) не дозволяє йому сісти на ті ж місця. Сітка синього кольору позначає внутрішню поверхню білка, яка блокує іони калію. Цифро-буквений код показує, які амінокислоти в білці мають значення для процесу прикріплення іонів.
Ілюстрації http://commons.wikimedia.org/