I en nyligen publicerad forskningsartikel ansökte Pablo Artigas, Ph.D., från Center for Membrane Protein Research vid Texas Tech University Health Sciences Center (TTUHSC) School of Medicine Department of Cell Physiology and Molecular Biophysics, och ett team av samarbetspartners funktionella och strukturella analyser för att undersöka vilka strukturella egenskaper hos proton/kalium (H ⁺ /K ⁺ ) pumpar och natrium/kalium (Na ⁺ /K ⁺ ) pumpar leder dem till att reglera passagen av salter över membranbarriärer.

Studien, "Struktur och funktion av H ⁺ /K ⁺ Pumpmutanter visar Na ⁺ /K ⁺ Pump Mechanisms," publicerades i september av Nature Communications . Forskargruppen inkluderade Artigas och TTUHSC doktorander Victoria C. Young, Ph.D., och Dylan J. Meyer, Ph.D.; Hanayo Nakanishi, Ph.D., Atsunori Oshima, Ph.D., och Kazuhiro Abe, Ph.D., från Nagoya (Japan) University; och Tomohiro Nishizawa, Ph.D., från Yokohama (Japan) City University.

I varje mänsklig cell, Na ⁺ /K ⁺ pumpen transporterar två kalium (K ⁺ ) joner in i cellen och tar ut tre natrium (Na ⁺ ). ) joner. Koncentrationsgradienterna för dessa joner behövs för elektrisk signalering i hjärnan, hjärtat och musklerna, och för intag av näringsämnen och reglering av intracellulära koncentrationer av kalcium och protoner i alla celltyper. De fyra typerna av Na ⁺ /K ⁺ pumpar lokaliseras till olika vävnader. Sjukdomsmutationer inom tre av dessa Na ⁺ /K ⁺ pumpar orsakar neuromuskulära, kognitiva, endokrina eller kardiovaskulära störningar.

Två H ⁺ /K ⁺ pumpar har något olika jonigenkänningsställen och uttrycks på den apikala sidan av många epitel, där de transporterar en proton (H ⁺ ) ut ur cellen och ta in ett kalium (K ⁺ ). ) Jon. Magsäckens H ⁺ /K ⁺ pumpen försurar magen och är målet för omeprazol, ett antacida läkemedel. Det icke-gastriska H ⁺ /K ⁺ pump deltar i K ⁺ reabsorption och bidrar till försurning av luftvägarna, en viktig del av cystisk fibros patologi.

"De två proteinerna (H ⁺ /K ⁺ och Na ⁺ /K ⁺ pumpar) är ungefär 70 % identiska, så vi tittade på vilka mindre skillnader som kan vara ansvariga för skillnaden i selektivitet och i antalet joner som transporteras," förklarade Artigas.

Studien fastställde att samtidigt ersätta aminosyrarester på fyra ställen i det icke-gastriska H ⁺ /K ⁺ pump med de som finns i Na ⁺ /K ⁺ pumpen räcker för att omvandla ett protein som normalt transporterar en proton för en kalium till en som transporterar tre natrium för två kalium, vilket ger ny insikt om hur dessa proteiner väljer de joner de måste transportera.

"Såvitt vi vet är detta den första demonstrationen av att förändra ett protein som enbart transporterar H ⁺ omvandlas till ett protein som uteslutande transporterar Na ⁺ ," sa Artigas. "Vi tror att det kan hjälpa andra som utför liknande typer av arbete med andra membranproteiner att utforma en liknande förändring av selektiviteten mellan Na ⁺ och H ⁺ . Vi kan göra det på ett sätt, men vi försöker nu göra det på andra sättet:komma från Na ⁺ /K ⁺ pumpa till (icke-mag) H ⁺ /K ⁺ pump."

Vikten av det icke-gastriska H ⁺ /K ⁺ pumpen i kroppen är fortfarande i stort sett okänd, men det är känt att dess hämning förhindrar luftvägsinfektioner i en djurmodell av cystisk fibros.

"Utöver att omvandla en typ av protein till en annan, tack vare våra strukturbiolog-samarbetspartners i Japan, bestämde vi strukturen för det icke-gastriska H ⁺ /K ⁺ pump," sa Artigas. "Denna struktur kan användas för att utveckla specifika inhibitorer för att effektivt behandla patienter med cystisk fibros."

Nu när Artigas och hans medarbetare framgångsrikt har konverterat den icke-gastriska H ⁺ /K ⁺ pumpa till ett Na ⁺ /K ⁺ pumpen försöker de flera andra omvandlingar med hjälp av gastric H ⁺ /K ⁺ och Na ⁺ /K ⁺ pumpar.

"Vi har fortfarande inte kunnat konvertera mag-H ⁺ /K ⁺ pumpa in i ett Na ⁺ /K ⁺ pump eller Na ⁺ /K ⁺ pumpa in i ett H ⁺ /K ⁺ pump för att till fullo förstå selektivitetsmekanismen," sa Artigas. "Vi kommer att använda de nuvarande och framtida strukturerna för det icke-gastriska H ⁺ /K ⁺ pump för att försöka generera specifika inhibitorer för att hjälpa till att behandla patienter med cystisk fibros." + Utforska vidare

Unik grund avslöjad för magsyrapumpen