Forskare vid Texas Tech University Health Sciences Center (TTUHSC) Department of Cell Physiology and Molecular Biophysics och Center for Membrane Protein. Forskning har bestämt den kinetiska cykeln för en kaliumkanal vid atomär upplösning. Kaliumkanaler är viktiga för människokroppens normala funktion. Forskningsstudien, "Gating Cycle of a K+ Channel at Atomic Resolution, " fanns med i novembernumret av eLife .

Luis G. Cuello, Ph.D., en docent vid TTUHSC Institutionen för cellfysiologi och molekylär biofysik, sa genom denna forskning, vi vet nu varenda atom i denna molekyl och vad den gör.

Jonkanaler finns i varje levande cell i människokroppen. De förmedlar jontransport in i och ut ur cellerna för att signalera många fysiologiska processer. Neuroner i nervsystemet är beroende av jonkanaler för cell-till-cell-kommunikation. Kaliumkanaler är membranproteiner som skapar en vattenhaltig por, som regleras av två inre grindar som arbetar på ett samordnat sätt för att tillåta flödet av kaliumjoner ut ur cellerna.

"I den perfekta världen, nya och säkrare terapeutiska läkemedel skulle interagera endast med en given riktad jonkanal, men det finns tusentals proteiner i människokroppen, var och en av dem gör olika funktioner, och ospecifik bindning av för närvarande tillgängliga terapeutiska läkemedel är huvudorsaken till de oönskade biverkningarna av läkemedelsbehandling, ", sa Cuello. "När en läkare ger dig en medicin, det interagerar inte bara med en specifik typ av protein, men med många andra, som orsakar biverkningar. Dock, Att veta hur en kaliumkanal rör sig vid atomär upplösning gör att vi kan rikta in oss på specifika fläckar inom kanalstrukturen för att korrigera en given sjukdom samtidigt som vi minskar oönskade biverkningar. Detta är viktigt eftersom läkemedelsindustrin investerar miljarder dollar varje år i upptäckten av mer potenta och säkrare terapeutiska läkemedelsmolekyler med färre biverkningar som kan korrigera dysfunktion av kaliumkanaler (fel i kaliumkanaler kan orsaka epilepsi, hjärtsjukdomar, kronisk smärta och diabetes)."

Kaliumkanaler måste öppnas och stängas för att utföra sin normala fysiologiska funktion i människokroppen, men mutationer i det mänskliga DNA:t kan göra en kanal alltid öppen eller stängd. Denna forskning kommer att möjliggöra skapandet av nya läkemedelsmolekyler som kan fungera som kaliumkanalöppnare eller -hämmare.

Den enklaste beskrivningen av grindningscykeln för pordomänen i en K+-kanal kräver minst fyra distinkta kinetiska tillstånd. KcsA, en bakteriell kaliumkanal, klonades för många år sedan. År 2003, Roderick MacKinnon tilldelades Nobelpriset i kemi för sitt arbete med jonkanalers atomupplösningsstrukturer, bland dem två olika kinetiska tillstånd av den slutna konformationen av KcsA. Dock, det tog mer än ett decennium att fastställa strukturen för KcsA i öppet tillstånd.

Cuello, tillsammans med D. Marien Cortes, också från TTUHSC Institutionen för cellfysiologi och molekylär biofysik, och Eduardo Perozo, Ph.D., en professor från University of Chicago, bestämde två öppna tillståndskonformationer av KcsA, som tillsammans med de två tidigare strukturerna för de slutna staterna från Mackinnons laboratorium, rekapitulera hur KcsA rör sig vid atomupplösning. Inget annat labb har någonsin producerat den kinetiska cykeln för en kaliumkanal på atomnivå. I den cellulära miljön, kaliumkanaler är mycket specialiserade proteiner som måste anta olika konformationer för att utföra sin biologiska funktion. Dessa molekyler ändrar sin konformation på ett cykliskt sätt och återgår alltid tillbaka till det initiala eller vilotillståndet - detta är den kinetiska cykeln.

2010, Cuello och hans forskargrupp skapade en mutantkanal som alltid var öppen och även om de bestämde strukturen för denna konformation, upplösningen var mycket låg, vilket gav en extremt suddig bild av KcsA i öppet tillstånd. I denna nya forskningsartikel, Cuello och hans labb låste öppet KcsA genom att konstruera disulfidbindningar som kommer att hålla kanalen öppen och bestämde två nya kinetiska mellanliggande ögonblicksbilder med mycket hög upplösning, det öppet ledande och det öppet-inaktiverade tillståndet, som tillsammans med de befintliga strukturerna för C/O (hög K+ -struktur) och C/I (låg K+ -struktur) konformationer lösta av Mackinnon Lab, återskapa en kinetisk cykel för en kaliumkanal vid atomär detalj.

"Vi visste om vi kunde fånga kanalen i aktion, under rörelse, vi skulle kunna ha något som liknar en film som visar öppningen och stängningen av kanalen på atomnivå, " sa Cuello. "När jag var ung, Jag minns de där serietidningarna där man genom att bläddra på sidorna kunde se en liten teckning röra sig. Vi har gjort exakt samma sak här men med en molekyl och i atomupplösning. KcsA innehåller två olika typer av grindar, aktiverings- och inaktiveringsgrindarna. Denna studie visar hur de arbetar på ett samordnat sätt för att reglera flödet av kaliumjoner som kommer ut ur cellen."