Кристаллическая структура клеточного Na/K-насоса

В лаборатории, где 50 лет назад был открыт натрий-калиевый насос, получена его кристаллическая структура. Теперь становится понятным механизм переноса ионов натрия и калия наружу и внутрь клетки.

Исследователи из датского университета Аархус в коллаборации с группой японских коллег установили структуру важнейшего белка, так называемого натрий-калиевого насоса (Na/K-насос, или Na/K АТФ-аза), который присутствует в любой клетке человеческого тела. Результат, недавно опубликованный в журнале Nature, может пролить новый свет на понимание неврологических болезней.

Натрий-калиевый насос непрерывно работает во всех клетках животных и людей. До 40 процентов энергии (молекул АТФ) в нашем теле идёт на его поддержание. Работа этого белка во многом похожа на работу маленькой батарейки, которая, помимо всего прочего, поддерживает натриевый баланс, критически необходимый для поддержания работы мышц и нервов.

Белок, выполняющий функцию Na/K-насоса, встроен в мембрану клетки, и занимается тем, что переносит ионы натрия наружу, а ионы калия вовнутрь клетки. На каждом шаге этого цикла структура насоса меняется. Хорошо известно, что насос имеет две различных формы. Первая, «натриевая», форма соответствует состоянию, когда белок «захватил» три иона натрия и готовится их «выбросить» наружу. Вторая, «калиевая», форма возникает, когда белок «выбросил» натрий наружу и «захватил» два иона калия для переноса вовнутрь клетки. Однако структурные различия между двумя этими формами до последнего момента были не известны, и исследователи не понимали, каким образом белок различает ионы натрия и калия.

В 2007 и 2009 годах специалисты из университета Аархус принимали участие в исследовании, которое привело к расшифровке структуры «калиевой» формы белка.  Теперь, благодаря международному сотрудничеству группы профессора Чикаши Туошима (Chikashi Toyoshima) из университета Токио и группы из университета Аарона, была описана структура «натриевой» формы белка. Впервые удалось изучить кристаллическую структуру белка со столь высоким разрешением – 0,28 нанометров, что позволило увидеть, куда в действительности прикрепляются ионы натрия в насосе.

«Полученная структура белка показывает, в каком месте ионы натрия связываются с белком, и, следовательно, каким образом они транспортируются через мембрану клетки наружу; ионам калия, чей размер несколько больше, доступ к этим сайтам связывания заблокирован. Теперь мы понимаем, каким образом насос различает ионы натрия и калия на молекулярном уровне. Это большой шаг  вперёд для понимания серьёзных неврологических болезней, связанных с мутациями Na/K-насоса, включая некоторые формы болезни Паркинсона, а так же перекрестные параличи у детей, когда есть дефекты в связывании ионов натрия», - объясняет Бенте Вильсен, профессор университета Аархуса, возглавляющий проект.

Na/K-насос был открыт в 1957 году профессором Йенсом Кристианом Скоу в университете Аархуса, который в 1997 получил за своё открытие Нобелевскую премию. Нынешний результат - кульминация полувековой работы по изучению механизма лежащего в основе этой молекулярной машины.

  «Много лет назад, когда с помощью электронного микроскопа были получены первые изображения белка, при 250 000 кратном увеличении белок выглядел всего лишь точкой, и я подумал, что мы никогда не сможем определить его структуру. Поскольку насос занимается переносом ионов натрия и калия, следовательно, речь идёт о способности различить между собой два иона. До настоящего момента  казалось, что это невозможно», - говорит профессор Йенс Кристиан Скоу. В свои 94 года он в курсе новых достижений в области, начало которой он сам положил 50 лет назад.

«Сейчас учёные описали структуру, с помощью которой белок идентифицирует натрий, и это может привести к более детальному пониманию работы насоса. Это впечатляющее достижение, о котором я даже и не мог мечтать», - заключает Йенс Кристиан Скоу.
 
На рисунке показано, как выглядит Na/Ka-насос изнутри, когда он связал ионы натрия.  Доступ к сайтам связывания похож на тоннель. Три маленьких иона натрия прикреплены внутри насоса (фиолетовые сферы слева), тогда как размер ионов калия (зелёные сферы) не позволяет ему сесть на те же места. Сетка синего цвета обозначает внутреннюю поверхность белка, которая блокирует ионы калия. Цифро-буквенный код показывает, какие аминокислоты в белке имеют значение для процесса прикрепления ионов.

 
Иллюстрации  http://commons.wikimedia.org/