Aus einem weiten Natriummeerfiltriert über 1 Million Kalzium Ionen pro Sekunde sprudeln durch Poren unserer Zellen zu Ladungen erzeugen
Wissenschaftler haben herausgefunden, wie Calciumkanälen - die unendlich Zellmembran Poren, die elektrische Signale durch Gating eine geladene Teilchen Zustrom generieren - haben eine " Nadel im Heuhaufen " Problem gelöst.
Die Lösung des Rätsels ist seit langem in der erweiterten Online- Ausgabe von Nature von der University of Washington und Howard Hughes Medical Institute Ermittler berichtet . Dr. Ning Zheng , ein bekannter Röntgen Kristallographen und Dr. William Catterall , ein Pionier in der Ionenkanal- Forschung waren die leitenden Forschern und Dr. Lin Tang und Dr. Tamer Gamal El -Din leitete das Projekt.
Die Herzmuskelzellen des Herzens gegen eine extrazelluläre Flüssigkeit , wo die Konzentration von Natriumionen ist 70-mal größer als die von Calciumionen. Obwohl Calcium und Natrium -Ionen sind im Durchmesser fast identisch , Kalziumkanäle bevorzugt passieren die weit weniger reichlich Calcium-Ionen durch sie mit erstaunlicher Geschwindigkeit. Calciumionen strömen durch die spannungsabhängigen Calciumkanäle von Zellen bei einer Rate von mehr als einer Million Ionen pro Sekunde .
"Wie Kalziumkanäle in der Lage sind , diese grundlegenden biophysikalischen Problem zu lösen wurde ein langjähriger Frage in Zelle gewesen Physiologie " Catterall sagte . Die Antwort ist wichtig, Wissenschaft und Medizin.
Die Geschwindigkeit und die Genauigkeit dieser Kanäle in selektiven Filterung der Calciumionen ist entscheidend für viele biologische Aktivitäten in dem Zellen kooperieren erläutert Catterall . Muskelkontraktionen , einschließlich der Rhythmus des Herzens , Hormonsekretion und Nerven- und Gehirnimpulsealle hängen von diesen bestimmten Kanälen ' Fähigkeit, Kalzium passieren und halten Natrium in Schach. Calciumkanäle sind auch das Ziel vieler Medikamente für Epilepsie . bluthochdruck . herzkrankheit und andere schwere Erkrankungen .
Natriumkanäle und Calciumkanälen bei Tieren sowohl wahrscheinlich von einem einzigen Vorfahren Art von Natriumkanal in Bakterienzellen entwickelt und gehalten ähnliche Strukturen und Funktionen , die Forscher festgestellt .
Catterall sagte das Forschungsteam führte nur drei Mutationen in die 274 Aminosäurereste eines bakteriellen Natriumkanäle , um Calcium-Kanäle zu erstellen .
"Wir dachten, wenn wir dem Käufer die richtigen Rückstände an den richtigen Stellen , sollte die Struktur werden zuvorkommend und wir den Kanal von selektiven verändern könnte für Natrium für Kalzium selektiv, " Catterall sagte . "Zum Glück es funktionierte. Wir bauten den Kanal mit den vollen physiologischen Eigenschaften von Calciumkanälen . "
Dann durchgeführten elektrophysiologischen und Röntgenstrukturanalysenzu versuchen, was die Kanal aussah und wie er organisiert sehen . Die Beamline-Personal des US Department of Energy Advanced Light Source am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien, unterstützt mit dieser Datenerfassung.
Das Team war in der Lage, festzustellen, wie der Filter , die für Calcium ausgewählt gebaut wurde, und sich auf den Weg Calciumionen berichten wahrscheinlich folgen, wie sie durch die Pore passieren .
Die Calcium-Ionen , so die Forscher , Übergang durch drei Bindungsstellen . Die erste Seite , die in einer äußeren Vorraum in der Nähe der Mündung der Pore, ist kritisch bei der Erkennung und selektives Einlassen von Calciumionen in den Kanal und das Fernhalten von Natrium. Diese Rolle wird von dem zweiten Standort in der Pore unterstützt. Diese Seite ist bei Einzelbelegung . Die Calciumionen ist schnell ausgeschlagen durch abstoßende Wechselwirkungen mit anderen Calciumionen nähert sich von außerhalb der Zelle , wie Stift Bälle abprallen , auch wenn er möchte dort zu binden.
Der dritte Standort , mit einer niedrigeren Bindungsaffinität , können die Calciumionen in die Zelle zu bewegen .
Der Ionenstrom wird erreicht, indem die drei Bindungsstellen in der Sequenz beschleunigt. Der Ablauf geht nur in einer Richtung , da die Konzentration von Calciumionen aus der Zelle wesentlich größer ist als ihre Konzentration in der Zelle . Zu einem bestimmten Zeitpunkt , die Ionen sich vor allem auch sich gegenseitig ausschließende Positionen - an Stelle 1 und 3, aber nicht für den Standort 2 , oder an Stelle 2 und in der Außen Vorraum, aber nicht an Stellen 1 und 3 .
"Sie bewegen sich schnell , weil sie sich gegenseitig zu stoßen ", sagte Catterall . " Die Bewegung von Millionen von Molekülen pro Sekunde erzeugt 15 pico Ampere . - Einen winzigen elektrischen Strom nur 1/1000000000000 die Größe des Stroms in einer elektrischen Steckdose , aber genug , um eine Zellsignal zu treiben "
" Die Details der Struktur erzählte uns genau, wie Calciumionen durch diese besondere Art von Zelle Membranporen zu gehen, und warum Natriumionen nicht", Zheng aufgenommen. "Wir waren überrascht und erfreut, dass dies scheint in klarer Weise ein wichtiger Mechanismus dieser gewesen ist unklar, für eine lange Zeit zu lösen. "
Die Studie wurde auf einem bakteriellen Ionenkanal durchgeführt, da Säuger lonenkanäle würde zu groß und kompliziert, um als Modell zu Strukturdaten zu erhalten, verwendet werden, sein können, nach Zheng und Catterall . Der Ansatz, das Team übernahm, sagten sie, sei eine Abkürzung , um die erforderlichen Informationen zu erhalten. Das neue Verständnis dürfte für so unterschiedliche Wissenschaftsbereiche wie die zu sein, Neurowissenschaften . Endokrinologie , Herz-Kreislauf Physiologie und Zellbiologie.
" Diese Informationen können auch bei der Entwicklung neuer Medikamente , die auf Kalziumkanäle zu wirken wichtig", sagte Catterall . " Das Verständnis der Struktur und Funktion des Kalzium-Kanals könnte Forschern helfen, noch differenzierter Medikamente zur genauen Bereiche des Kanals zu binden, um ihre therapeutische Aktionen durchzuführen. Diese neuen Verbindungen können besser mit weniger Nebenwirkungen zu arbeiten. Zum Beispiel Forscher hoffen sicherer zu gestalten Medikamente zur Behandlung chronischer Schmerzen . "