Ионные каналы играют важную роль в организмах. Например, ионные каналы действуют, когда организм регистрирует стимулы и передает информацию в мозг в виде электрических сигналов. Во время этой передачи сигнала заряженные атомы (ионы) должны входить в вовлеченные клетки и покидать их. Ионы не могут проникать через липофильные клеточные мембраны.
Вместо этого они проходят через белковые каналы в клеточных мембранах.Во многих случаях ионные каналы позволяют проходить только одному определенному типу ионов, то есть они могут быть проводящими для калия, но не для ионов натрия, или наоборот.
Фильтр селективности, который является самой узкой частью канала, отвечает за эту дискриминацию ионов. Однако канал NaK позволяет проходить ионам как натрия, так и калия. Это было в центре внимания настоящего исследования ученых FMP доктора Хан Сун и профессора Адама Ланге вместе с коллегами из Геттингена (Германия) и Хэфэя (Китай).
Неселективные ионные каналы очень важны в медицине.До сих пор оставалось спорным, почему каналы NaK позволяют проходить как ионам натрия, так и калию.
Профессор Адам Ланге объясняет: «Хотя рентгеновские кристаллографические изображения показали нам трехмерную структуру канала, было трудно объяснить, почему этот канал проводит два разных типа ионов с одинаково высокой эффективностью. Это было особенно трудно понять, потому что последовательность и трехмерная структура фильтра селективности аналогичны таковым в селективных каналах калия ».Ученый доктор Хан Сунь добавил, что исследуемая система является модельной системой для нескольких других неселективных ионных каналов в организме человека.
Как она отметила, физиологически и медицински релевантными в этом контексте являются циклические нуклеотид-управляемые и активируемые гиперполяризацией циклические нуклеотид-управляемые каналы (каналы CNG и HCN): «Мы знаем, что каналы CNG важны для зрения и обоняния. Дисфункциональные каналы HCN причастны к различным неврологическим заболеваниям, таким как эпилепсия или аутизм ».Конкретные ионы предпочитают определенные структуры каналов
На своем пути к открытию того, как работает неселективный канал NaK, ученые использовали комбинацию спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и компьютерного моделирования молекулярной динамики. Результаты показали, что фильтр селективности канала NaK динамически изменяется между двумя структурами. Каждая структура является проводящей для одного из двух типов ионов.
Доктор Хан Сун сообщает: «К удивлению, компьютерное моделирование показало, что ионы калия, проходящие через канал NaK, предпочитают структуру селективного канала калия, в то время как механизм прохождения ионов натрия аналогичен прохождению ионов натрия через селективный канал натрия. ионный канал ". До сих пор исследователи полагали, что структура фильтра селективности одинакова для транспорта ионов натрия и калия через канал NaK.Чтобы собрать дополнительные доказательства решающей роли динамической структуры фильтра селективности NaK, ученые экспериментировали с мутированным каналом NaK (двухточечная мутация NaK2K).
Этот мутировавший канал NaK является проводящим только для ионов калия. Профессор Адам Ланге так описывает результаты: «Наши исследования ЯМР ясно показали, что фильтр селективности этого канала образует только единую структуру».Среди других источников финансовой поддержки ученые FMP получили финансирование от DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft / Немецкий исследовательский фонд) в рамках финансирования исследовательской группы 2518 «Функциональная динамика ионных каналов и переносчиков». Norddeutscher Verbund fur Hoch- und Hoechstleistungsrechnen (HLRN; Ассоциация суперкомпьютеров Северной Германии) в Берлине позволила ученым FMP использовать свои вычислительные мощности.
Без этой помощи проведение моделирования молекулярной динамики было бы невозможным.