Никаких заслонок, только паровой барьер и постоянная «протечка». Химики из США разобрались, как работает один из самых загадочных ионных каналов в организме
Никаких заслонок, только паровой барьер и постоянная «протечка». Химики из США разобрались, как работает один из самых загадочных ионных каналов в организме
Alexander Antipov
Почему ваша «биологическая батарейка» постоянно подтекает и почему это важно.
В нашем теле электричество бежит не по проводам, а по микроскопическим «коридорам» в клеточных мембранах. По ним движутся заряженные частицы, ионы, и именно так нейроны, сердечная ткань и другие клетки передают сигналы. Химики из Университета Массачусетса в Амхерсте показали, что один из самых загадочных таких коридоров, так называемый «большой калиевый» канал BK, обладает важным свойством: он никогда не бывает полностью герметичным. Эта «протечка» помогает лучше понять электрическую систему организма и то, как сбои в ней могут быть связаны с болезнями вроде эпилепсии и гипертонии.
BK-каналы считаются одними из самых проводящих и функционально значимых ионных каналов. У многих каналов есть понятная механика: «дверца» открылась, ионы пошли; закрылась, поток остановился. У BK всё сложнее. Долгое время казалось, что эти каналы будто бы постоянно открыты, но при этом каким-то образом всё равно умеют регулировать поток ионов. В 2018 году группа профессора химии Цзяньханя Чэня предложила объяснение: ключевую роль играет не твёрдая «заслонка», а мягкий гидрофобный участок поры, то есть области, по которой ионы проходят через мембрану.
Ионный канал можно грубо представить как конструкцию из фильтра и поры. По словам Чэня, у BK-поры выраженно гидрофобная поверхность, она отталкивает воду. И вот здесь появляется неожиданный эффект: если диаметр поры становится меньше определённого порога, жидкая вода из неё «выталкивается», а внутри образуется что-то вроде паровой прослойки, барьера. Для калия это критично, потому что ион в воде практически никогда не бывает «голым» и всегда окружён молекулами воды. Нет воды, значит, иону тоже трудно пройти. Формально канал оказывается закрыт, хотя никакой привычной дверцы там нет.
В новой работе, опубликованной в журнале PRX Life, Чэнь и его коллега Чжигуан Цзя показали, что такой «паровой затвор» по самой своей природе не может перекрывать поток идеально. Он работает как мягкий регулятор, который почти всегда удерживает ионы, но не гарантирует стопроцентную блокировку. Иначе говоря, даже в состоянии, когда канал должен быть «полностью закрыт», остаётся ненулевая вероятность, что отдельные ионы всё же проскользнут.
Чтобы объяснить идею на пальцах, Чэнь приводит аналогию с вощёной бумагой. Капля воды на ней не впитывается, а собирается в шарик. Если свернуть эту бумагу в трубочку, получится модель гидрофобной поры: пока трубка достаточно широкая, вода протекает. Но если сузить её ниже определённого диаметра, гидрофобная поверхность начнёт «выталкивать» воду, и внутри появится барьер, через который воде трудно проскользнуть. А раз ион калия «привязан» к воде, то вместе с водой не проходит и он. Только вот, как показывает новое исследование, этот барьер не абсолютный.
Авторы подчёркивают, что степень такой «протечки» можно менять, если меняются физические свойства самого канала, например из-за мутаций. Это важно сразу по двум причинам. Во-первых, появляется более понятная физическая модель того, как BK-каналы вообще управляют проводимостью без привычного механического «затвора». Во-вторых, открывается способ изучать и сравнивать нормальную работу канала и сбои в ней, причём через измеримую утечку ионов.
Отдельная сложность в том, что паровой барьер трудно изучать напрямую: это буквально отсутствие воды там, где она обычно должна быть. Но утечка, наоборот, даёт экспериментальную «зацепку»: её можно фиксировать, изменять в лаборатории и использовать как индикатор того, что происходит с каналом. В перспективе это может помочь лучше разобраться, как устроена электрическая «проводка» организма и почему иногда она начинает работать неправильно.
BK-каналы считаются одними из самых проводящих и функционально значимых ионных каналов. У многих каналов есть понятная механика: «дверца» открылась, ионы пошли; закрылась, поток остановился. У BK всё сложнее. Долгое время казалось, что эти каналы будто бы постоянно открыты, но при этом каким-то образом всё равно умеют регулировать поток ионов. В 2018 году группа профессора химии Цзяньханя Чэня предложила объяснение: ключевую роль играет не твёрдая «заслонка», а мягкий гидрофобный участок поры, то есть области, по которой ионы проходят через мембрану.
Ионный канал можно грубо представить как конструкцию из фильтра и поры. По словам Чэня, у BK-поры выраженно гидрофобная поверхность, она отталкивает воду. И вот здесь появляется неожиданный эффект: если диаметр поры становится меньше определённого порога, жидкая вода из неё «выталкивается», а внутри образуется что-то вроде паровой прослойки, барьера. Для калия это критично, потому что ион в воде практически никогда не бывает «голым» и всегда окружён молекулами воды. Нет воды, значит, иону тоже трудно пройти. Формально канал оказывается закрыт, хотя никакой привычной дверцы там нет.
В новой работе, опубликованной в журнале PRX Life, Чэнь и его коллега Чжигуан Цзя показали, что такой «паровой затвор» по самой своей природе не может перекрывать поток идеально. Он работает как мягкий регулятор, который почти всегда удерживает ионы, но не гарантирует стопроцентную блокировку. Иначе говоря, даже в состоянии, когда канал должен быть «полностью закрыт», остаётся ненулевая вероятность, что отдельные ионы всё же проскользнут.
Чтобы объяснить идею на пальцах, Чэнь приводит аналогию с вощёной бумагой. Капля воды на ней не впитывается, а собирается в шарик. Если свернуть эту бумагу в трубочку, получится модель гидрофобной поры: пока трубка достаточно широкая, вода протекает. Но если сузить её ниже определённого диаметра, гидрофобная поверхность начнёт «выталкивать» воду, и внутри появится барьер, через который воде трудно проскользнуть. А раз ион калия «привязан» к воде, то вместе с водой не проходит и он. Только вот, как показывает новое исследование, этот барьер не абсолютный.
Авторы подчёркивают, что степень такой «протечки» можно менять, если меняются физические свойства самого канала, например из-за мутаций. Это важно сразу по двум причинам. Во-первых, появляется более понятная физическая модель того, как BK-каналы вообще управляют проводимостью без привычного механического «затвора». Во-вторых, открывается способ изучать и сравнивать нормальную работу канала и сбои в ней, причём через измеримую утечку ионов.
Отдельная сложность в том, что паровой барьер трудно изучать напрямую: это буквально отсутствие воды там, где она обычно должна быть. Но утечка, наоборот, даёт экспериментальную «зацепку»: её можно фиксировать, изменять в лаборатории и использовать как индикатор того, что происходит с каналом. В перспективе это может помочь лучше разобраться, как устроена электрическая «проводка» организма и почему иногда она начинает работать неправильно.