Первая комплексная модель транспорта плазмолеммальной кальциевой помпы может помочь в разработке новых лекарств

от

Все мы слышали совет: «Пейте молоко, и у вас будут крепкие кости и здоровые зубы». Молоко должно помогать нам удовлетворять высокую потребность организма в кальции. Однако наши клетки постоянно поддерживают уровень кальция на минимально возможном уровне. Они буквально выкачивают ионы кальция из своей внутренней среды с помощью высокоскоростных насосов в мембране.

Группа исследователей под руководством Штефана Раунсера, директора Института молекулярной физиологии Макса Планка в Дортмунде, и Бернда Факлера, директора медицинского факультета Университета Фрайбурга, разработала первую комплексную модель транспорта плазмолеммальной Ca²⁺-АТФазы (PMCA). Учёные определили её трёхмерную структуру в различных состояниях активности и проследили за работой PMCA по транспортировке кальция в интактных клетках.

Исследователи показали, что высокая скорость работы насоса обусловлена взаимодействием с липидом плазматической мембраны PIP2. Этот механизм может стать многообещающей отправной точкой для разработки новых лекарств, которые будут манипулировать концентрацией кальция в клетках. Их исследование опубликовано в журнале Nature.

Наше тело содержит примерно 1 кг кальция, большая часть которого хранится в костях и зубах. Небольшое количество кальция играет решающую роль в контроле множества клеточных процессов, таких как сокращение мышц, передача сигналов в нейронах, митоз, экспрессия генов и передача сигналов в клетках. Уровни кальция должны строго контролироваться, поскольку дисбаланс может привести к симптомам заболеваний.

«Различия в концентрации между внеклеточным пространством и внутриклеточной средой огромны: уровень кальция внутри клетки может быть до 50 000 раз ниже, чем снаружи», — говорит Факлер. Этот крутой градиент концентрации имеет решающее значение для скорости и эффективности передачи сигналов с помощью кальция в клетке. Градиент буквально «заталкивает» ионы кальция в клетку при открытии кальциевых каналов, и даже небольшое дополнительное количество заметно влияет на процесс.

«Клетки должны вкладывать много энергии, чтобы поддерживать этот градиент концентрации, особенно когда речь идёт об избавлении от кальция», — говорит Раунсер. «Это похоже на то, как в час пик в таком городе, как Токио, специальные сотрудники буквально «выталкивают» людей из переполненного поезда на пустой станции. И наоборот, чтобы попасть в переполненный поезд, требуется много сил».

В Японии пассажиров в час пик «вталкивают» в поезда специальные сотрудники, называемые «толкачами». Такие «толкачи» есть и в клетке: кальциевые насосы активно выкачивают ионы кальция против крутого градиента концентрации, используя клеточный источник энергии АТФ. Примечательно, что они делают это со скоростью 5 000 ионов кальция в секунду.

Комбинируя свой опыт, исследователи из Дортмунда и Фрайбурга впервые создали комплексную модель транспорта кальция из клетки с помощью плазмолеммальной Ca²⁺-АТФазы. Команда из Дортмунда использовала электронную криомикроскопию, чтобы определить структуру насоса в различных состояниях, возникающих во время транспорта кальция, в то время как команда из Фрайбурга зафиксировала активность насоса в живых клетках.

Исследователи обнаружили, что высокая скорость работы кальциевой помпы обусловлена несколькими факторами. Во-первых, кальций очень прочно связывается с насосом, что облегчает инициацию. Во-вторых, кальциевая помпа демонстрирует лишь незначительные структурные изменения в своих цитоплазматических доменах и минимальные области взаимодействия между этими доменами во время цикла транспорта ионов кальция, в отличие от других более медленных насосов. Это обеспечивает плавные переходы между состояниями, что в итоге увеличивает скорость работы насоса.

Однако наиболее важным фактором является взаимодействие помпы с PIP2 — липидом, обнаруженным в клеточной плазматической мембране. Исследователи продемонстрировали, что PIP2 стабилизирует связывание кальция, но также способствует его быстрому высвобождению, что делает его основным фактором ускорения работы помпы.

«Хотя кальций играет столь важную роль в здоровье и таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, сердечная недостаточность, диабет и рак, в настоящее время существует очень мало стратегий или лекарств, доступных для воздействия на уровни кальция в клетках», — говорит Раунсер. «Нацеливание на гомеостаз кальция и передачу сигналов для терапии рака стало новой областью исследований, но лишь немногие агенты были доведены до клинических испытаний, и все они нацелены на кальциевые каналы или кальциевые насосы, отличные от PMCA».

«Интересно, что мы обнаружили, что сайт связывания PIP2 представляет собой лекарственную мишень для манипулирования активностью PMCA. Это открывает новые возможности для разработки инновационных лекарств, которые могут либо увеличивать концентрацию кальция в клетках, либо вызывать гибель клеток в целевых терапиях рака».

Предоставлено Обществом Макса Планка.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте