Почему мышечные клетки не путают кальций с натрием

Сигналом к сокращению мышечным клеткам служит увеличение внутри них концентрации ионов кальция. Приток кальция запускает скольжение нитей из белков актина и миозина относительно друг друга, на которое тратится энергия, заключённая в высокоэнергетических молекулах АТФ. Движение актиновых и миозиновых нитей происходит до тех пор, пока концентрация кальция в клетке не понизится до некоего базового уровня.

То есть для начала сокращения нужно впустить в цитоплазму ионы кальция, и этой цели в мембране мышечной клетки служат специальные кальциевые каналы. Но если, скажем, взять мышечные клетки сердца, то межклеточная жидкость вокруг них содержит в 70 раз больше ионов натрия, нежели ионов кальция. При одни схожи с другими диаметром. И тогда возникает вопрос: как ионные каналы в мембране ухитряются с огромной скоростью накачивать клетку именно ионами кальция?

Чтобы выяснить это, исследователи из Вашингтонского университета в Сиэтле (США) обратились к бактериальным ионным каналам, предназначенным для натрия: считается, что натриевые и кальциевые ионные каналы у животных произошли от общего предка, который был у бактерий, и по сей день между ионными каналами бактериальных и животных клеток сохранилось много общих черт. По словам Уильяма Кэттерелла (William Catterall), который руководил работой, в бактериальных белках, образующих натриевый ионный канал, оказалось достаточно заменить всего три аминокислоты из 274, чтобы эти каналы сменили специфичность с натриевой на кальциевую.

Превратив один канал в другой и посмотрев на структуру получившегося кальциевого канала с помощью рентгеноструктурного анализа, учёные смогли понять, как достигается специфичность ионного канала по отношению к ионам кальция. Как они пишут в журнале Nature, кальций проходит в канале по трём точкам связывания. Сначала ионы попадают в своеобразный «вестибюль» на входе перед мембранной пόрой, и в этом «вестибюле» находится первый сайт связывания. Здесь происходит первая стадия отбора, когда ионы натрия отбрасываются, а ионы кальция пропускаются дальше в канал.

Затем на пути ионов кальция возникает второй сайт связывания, причём каждый следующий ион выталкивает тот, что пришёл сюда до него (это можно в какой-то мере уподобить сталкивающимся бильярдным шарам). Наконец, третья точка связывания открывает кальцию путь внутрь клетки — с ней ионы взаимодействуют слабо.

Поток ионов ускоряется благодаря тому, что эти три точки связывания стоят друг за другом и работают последовательно; при этом все они действуют по взаимоисключающему принципу. То есть ионы могут занимать первый и третий сайты связывания, но не второй, или же они могут быть в предпоровом «вестибюле» и в сайте №2, но не в сайтах №№1 и 3. Высокая скорость обеспечивается тем, что, во-первых, концентрация кальция снаружи клетки всё-таки выше, чем в цитоплазме, а во-вторых, ионы подталкивают друг друга, вытесняя из сайтов связывания и обеспечивая тем самым односторонний поток кальция внутрь клетки. Возникающий ток в 15 пА вполне достаточен, чтобы дать клетке сигнал к действию.

От кальциевых каналов зависит множество процессов, от сердечных сокращений до секреции гормонов, и сейчас достаточно лекарств, которые как-то вмешиваются в работу таких каналов. Однако, как можно понять, многое в функционировании этих каналов остаётся тайной, и работы, подобные этой, более чем востребованы: с их помощью можно создать препараты, которые будут эффективней воздействовать на ионные каналы, к тому же с меньшим побочным эффектом.

Стоит также упомянуть ещё одну причину, по которой учёные предпочли иметь дело с модифицированными бактериальными, а не с натуральными кальциевыми каналами: в животных клетках эти структуры чрезвычайно громоздки, из-за чего их структурные особенности намного труднее исследовать. Разумеется, какие-то их особенности нельзя повторить в бактериальной модели, но для изучения таких базовых свойств, как специфичность и скорость работы, бактериальные мутанты, по мнению авторов, вполне подходят.

Подготовлено по материалам Вашингтонского университета. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.