De flesta jonkanaler är mycket selektiva när det gäller joner som kan eller inte kan passera genom dem. De kan vara ledande för kaliumjoner och icke-ledande för natriumjoner, eller tvärtom. Dock, ett antal jonkanaler möjliggör effektiv passage av båda typerna av joner. Hur uppnår dessa kanalproteiner detta? Ett team av forskare runt Dr. Han Sun och forskargruppen till professor Adam Lange vid Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) hittade svaret på denna fråga.

Deras studie avslöjade strukturella och dynamiska skillnader mellan selektiva och icke-selektiva jonkanaler. Forskarna beskrev sina resultat och slutsatser i tidskriften Naturkommunikation . I icke-selektiva kanaler, selektivitetsfiltret uppvisar betydande dynamik som inte finns i selektiva kanaler. Selektivitetsfiltret för icke-selektiva jonkanaler kan existera i två olika former. Beroende på selektivitetsfiltrets tillstånd, den ena eller den andra jontypen kan passera.

Jonkanaler spelar framträdande roller i organismer. Till exempel, jonkanaler är i aktion när organismen registrerar stimuli och överför informationen till hjärnan i form av elektriska signaler. Under denna signalöverföring, laddade atomer (joner) måste komma in i och lämna de inblandade cellerna. Joner kan inte genomsyra lipofila cellmembran. Istället, de passerar genom proteinkanaler i cellmembranen.

I många fall, jonkanalerna tillåter passage av endast en specifik jontyp, dvs de kan vara ledande för kalium men inte för natriumjoner eller vice versa. Selektivitetsfiltret som är den smalaste delen av kanalen är ansvarigt för denna jondiskriminering. Dock, NaK-kanalen tillåter passage av både natrium- och kaliumjoner. Det var i fokus för den aktuella studien av FMP-forskare kring Dr. Han Sun och professor Adam Lange tillsammans med kollegor i Göttingen (Tyskland) och Hefei (Kina).

Icke-selektiva jonkanaler är mycket viktiga inom medicin.

Tills nu, det har förblivit kontroversiellt varför NaK-kanaler tillåter passage av både natrium- och kaliumjoner. Professor Adam Lange förklarar:"Medan röntgenkristallografiska bilder visade oss den tredimensionella strukturen av kanalen, det var svårt att förklara varför denna kanal är ledande för två olika jontyper med lika hög effektivitet. Detta var särskilt svårt att förstå eftersom sekvensen och 3D-strukturen för selektivitetsfiltret liknar dem i kaliumselektiva kanaler."

Forskaren Dr. Han Sun tillade att detta är ett modellsystem för flera andra icke-selektiva jonkanaler i människokroppen. I detta sammanhang, de cykliska nukleotidstyrda och hyperpolarisationsaktiverade cykliska nukleotidstyrda kanalerna (CNG- och HCN-kanaler) är medicinskt och fysiologiskt relevanta. "Vi vet att CNG-kanaler är viktiga för syn och lukt. Dysfunktionella HCN-kanaler är inblandade i olika neurologiska sjukdomar som epilepsi eller autism."

Specifika joner föredrar specifika kanalstrukturer

Forskarna använde en kombination av kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi och datorassisterade molekylära dynamiksimuleringar. Resultaten visade att selektivitetsfiltret för NaK-kanalen dynamiskt förändras mellan två strukturer. Varje struktur är ledande för en av de två jontyperna. Dr Han Sun säger, "Förvånande, datorsimuleringarna visade att kaliumjoner som passerar genom NaK-kanalen föredrar strukturen hos en kaliumselektiv kanal, medan mekanismen för natriumjonpassagen liknar passagen av natriumjoner genom en natriumselektiv jonkanal." forskare trodde att strukturen på selektivitetsfiltret är densamma för natrium- och kaliumjontransport genom NaK-kanalen.

För att samla ytterligare bevis för den avgörande rollen för NaK-selektivitetsfiltrets dynamiska struktur, forskarna experimenterade med en muterad NaK -kanal (NaK2K dubbelpunktsmutation). Denna muterade NaK-kanal är ledande endast för kaliumjoner. Professor Adam Lange redogör för resultaten:"Våra NMR-undersökningar visade tydligt att selektivitetsfiltret för denna kanal endast bildar en enda struktur."