Kluczową cechą życia jest aktywny transport: kontrola nad tym, co przenika do komórki i co się z niej wydostaje. Bliższe spojrzenie ujawnia wyszukane „selektywne filtry” z ruchomymi częściami, które umożliwiają działanie aktywnego transportu.
Uproszczony obraz komórek będący przedmiotem nauczania na lekcjach biologii w szkołach średnich w latach siedemdziesiątych (powiedzmy) kładł nacisk na ogólne funkcje, a nie szczegółowe struktury. Przywoływano terminy, takie jak aktywny transport, metabolizm, rozmnażanie i tym podobne, opisane w ogólnym zarysie za pomocą prostych schematów. Jony dostają się do środka; produkty przemiany materii wydostają na zewnątrz. Nic dziwnego, że uczniowie się nudzili. Zapamiętaj, powtórz na teście. Co, jeśli pokazano by im obrazy w skali nanometrycznej, które są nam teraz dostępne dzięki zaawansowanym technologiom obrazowania takim jak mikroskopia krioelektronowa? Wysyłaliby te zdjęcia do znajomych z emotikonem „Wow!”. Niektórzy może zainspirowaliby się na tyle, że zostaliby biologami molekularnymi.
W ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat naukowcy sporo się dowiedzieli o kanałach umożliwiających aktywny transport. Odkryli, że istnieje wiele kanałów kontrolujących określone cząsteczki. Niektóre akwaporyny (będące rodzajem kanałów) wpuszczają i wypuszczają wodę. Część kanałów bramkowanych potencjałem kontroluje przepływ elektrycznie naładowanych cząsteczek, takich jak jony potasu, sodu i chloru. Niektóre kanały wrażliwe na bodźce mechaniczne reagują na dotyk. Naukowcy podzielili również te kanały na rodziny pełniące podobne funkcje, które różnią się w poszczególnych zastosowaniach. Zauważyli też, że niektóre kanały są tak specyficzne, że mogą rozróżniać cząsteczki, które jedynie w znikomym stopniu różnią się wielkością.
W ostatnich dziesięcioleciach natura selektywnych filtrów została wyjaśniona na poziomie atomowym. Często to specyficzne umiejscowienie aminokwasów w filtrze zatwierdza i reguluje przepływ cząsteczek. Inne ekscytujące odkrycia zgłębiają naturę zmian konformacyjnych (ruchomych części) w białkach otaczających pory kanału. Niektóre z tych zmian naśladują działanie otworów w automatach, które akceptują jedne monety, a na przykład banknotów czy żetonów już nie.
Struktura kanału jest żywym obszarem w biologii molekularnej. Oto kilka ostatnich odkryć na temat różnych kanałów i ich działania. Aby podkreślić ich znaczenie, w artykułach zwykle są opisane straszne konsekwencje zdrowotne, kiedy kanały te nie funkcjonują poprawnie.
Kanały bramkowane napięciowo
Drobnoustroje prokariotyczne również mają kanały, co sprawia, że „pochodzenie życia” jest jeszcze trudniejsze do wyjaśnienia. Bakteryjny kanał potasowy KcsA należy do tych najintensywniej badanych. Jest to jeden z kanałów, który przyniósł studiującemu mu Roderickowi MacKinnonowi Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1998 roku. Kanał zawiera pierścień białek, który rozciąga się przez błonę lipidową, selektywnie przepuszczając jony potasu, ale nie inne. Odpowiedniki KcsA u ludzi są ważne dla regulacji pracy serca i przewodzenia impulsów nerwowych.
Badania nad KcsA trwają, co pokazuje praca Zhiyu Sun i współpracowników opublikowana w „Proceedings of the National Academy of Sciences”. KcsA aktywuje się szybko, wpuszczając jony; ale dezaktywuje powoli (rzędu milisekund do sekundy), blokując kanał. Ten zespół chciał się dowiedzieć, jak dochodzi do inaktywacji. Czy dzieje się to na skutek bramki pH, czy selektywnego filtra?
Transbłonowe wiązanie allosteryczne jest cechą wielu istotnych biologicznych zdarzeń sygnalizacyjnych […]. Aktywacja KcsA jest inicjowana przez wiązanie protonu z bramką pH po wewnątrzkomórkowym spadku pH. Liczne badania sugerują, że owo wiązanie protonów wywołuje również zmianę konformacyjną, co prowadzi do utraty powinowactwa do jonów potasu na selektywnym filtrze, a zatem do inaktywacji kanałów1.
Okazuje się, że bramka pH, chociaż oddalona o trzydzieści angstremów od selektywnie działającego filtra, zmienia powinowactwo potasu na filtrze o cztery rzędy wielkości przy neutralnym pH. Ten „dramatyczny efekt” powoduje, że obie części są powiązane allosterycznie. Odkrycie pokazuje, że nawet w przypadku najlepiej przebadanego kanału u podrzędnych mikroorganizmów wciąż wiele musimy się nauczyć.
Powiązane: Artykuł Ruiming Zhao i współpracowników w „Science Advances” bada, w jaki sposób silne neurotoksyny, takie jak te występujące u ukwiałów, przymocowują się do błon i niczym autostopowicze próbują przyczepić się do jonów K+, aby zablokować kanały KcsA2. Tego rodzaju badania pomagają naukowcom zrozumieć mechanizmy kanałów jonowych.
Kanał chlorkowy: „Zaczekaj, nie spiesz się!”
„Jony metali, takie jak cynk (Zn2+), żelazo i miedź, stanowią podzbiór składników odżywczych zwanych mikroelementami i działają jako kofaktory dla białek odgrywających rolę we wzroście i rozwoju”, informują w „Nature” Rose Citron i Roberto Zoncu. Oto, dlaczego cynk jest ważny:
Mnóstwo białek polega na Zn2+ w spełnianiu swoich funkcji. W rezultacie przeznaczamy ogromne zasoby komórkowe, żeby zapewnić utrzymanie stężenia Zn2+ w komórkach w optymalnym zakresie. Zn2+ wymaga w szczególności wiele białek wiążących DNA, włączając w to te koordynujące produkcję białek, które same pomagają zrównoważyć poziomy metali. Zatem komórkowa pętla sprzężenia zwrotnego utrzymuje poziom Zn2+ pod kontrolą3.
Citron i Zoncu informują o opublikowanym w „Nature” przez Siamaka Redhaia i współpracowników odkryciu „czujnika cynku”4. Pozwala on podrzędnej muszce owocowej reagować na niedobory tego mikroelementu mogące powodować zahamowanie wzrostu i metabolizmu. W badaniu wzięło udział 24 współautorów. Głównym bohaterem jest kanał transbłonowy, który nazwali Hodor5.
Autorzy wykazali, że mutacja białka transbłonowego Hodor prowadzi nie tylko do zredukowania wzrostu larw muszek owocowych, ale także do zmniejszenia zawartości tłuszczu w ciele i spożycia pokarmu w trakcie rozwoju much. Wykazano, że Hodor nie jest transporterem Zn2+, ale zachowuje się jak kanał przez niego regulowany, który po aktywacji przez wiązanie Zn2+ pozwala jonom chlorkowym (Cl−) przenikać przez błony plazmatyczne6.
W rezultacie jony chlorkowe zakwaszają lizosomy w celu przyspieszenia rozpadu zużytych białek. Zakwaszone lizosomy promują następnie szlak TORC1 (sieć regulującą procesy metaboliczne i wzrost u wszystkich zwierząt), a także stymulują żywienie u muszek owocowych zarówno na poziomie mózgu, jak i jelit. Z tych powodów Hodor jest małym „graczem” w niewielkich owadach, który może mieć przemożne skutki w skali całego organizmu.
Na łamach „Science Advances” Nicoletta Pedemonte i współpracownicy opisali mutacje w innym kanale chlorkowym o nazwie CFTR, który otwiera się i zamyka poprzez zmiany konformacyjne kierowane przez ATP. Z uwagi na fakt, że kanał ten jest niezbędny w tkankach nabłonkowych jelit, płuc i narządów rozrodczych, to pojawiające się w nim wady są główną przyczyną mukowiscydozy. Kiedy kanały chlorkowe nie są w stanie wydzielać chlorków i dwuwęglanu, rezultatem jest „wytwarzanie gęstych wydzielin śluzowych, które zatykają drogi oddechowe i przewody gruczołów zewnątrzwydzielniczych”. Prowadzi to do „postępującej utraty funkcji oddechowej, niewydolności trzustki i bezpłodności”7. Po raz kolejny mamy do czynienia z sytuacją, w której nagromadzenie wielu mutacji utrudniających pracę białek kanału może wywołać znaczące skutki dla całego organizmu.
Kanał potasowy bramkowany wapniem: mechanizm korka na łańcuchu
Niektóre wanny i toalety mają korki przymocowane do łańcucha. Nagła zmiana przepływu może spowodować przesunięcie korka i zamknięcie odpływu, w zależności od projektu. Coś podobnego odkryto w kanale potasowym o nazwie MthK, obecnym w bakteriach bytujących wokół kominów hydrotermalnych. Jako że ten kanał jest łatwiejszy do zbadania niż występujący u ssaków odpowiednik o nazwie BK, naukowcy z Uniwersytetu Cornella dokonali obrazowania MthK w celu zbadania mechanizmu podczas aktywacji i inaktywacji kanału. Zespół podzielił się swoimi odkryciami na łamach „Weill Cornell Medicine”:
Dzięki niskotemperaturowej mikroskopii krioelektronowej, która zamiast światła odbija od obiektów elektrony, aby uzyskać ich obrazy w rozdzielczości atomowej, naukowcy uzyskali zdjęcia kanału MthK, gdy został on otwarty przez wapń i zamknięty. Zdjęcia ujawniły, że nawet gdy kanał MthK znajduje się w aktywowanym wapniem stanie „otwartym”, ścieżka, przez którą przepływają jony, jest „zatkana” przez elastyczny element, który przylega do porów struktury kanału.
Naukowcy potwierdzili funkcję tego mechanizmu korka, pokazując, że kiedy genetycznie usunięto „korek i łańcuch”, przepływ jonów potasu przez aktywowany wapniem kanał MthK nie był już regulowany8.
Powyższy schemat zarysowuje podstawową ideę. Korek jest przymocowany do kanału i „huśta” się w celu zatkania lub inaktywacji porów. Artykuł Chen Fan i współpracowników opublikowany w „Nature” „Ball-and-Chain Inactivation in a Calcium-Gated Potassium Channel” [Inaktywacja za pomocą korka i łańcucha w kanale potasowym bramkowanym wapniem] zawiera szczegółowe informacje9.
Przypadkowy sukces?
Ważne jest, aby zdawać sobie sprawę, że aby działać „pod prąd”, kanały te potrzebują ukierunkowanej energii. Naturalną tendencją przy otwieraniu się kanałów białkowych błony komórkowej jest dyfuzja – przepływ wody w kierunku od wysokiego do niskiego stężenia. Stąd, aby wpuścić pożądane i zatrzymać niepożądane cząsteczki, transport aktywny byłby konieczny w najwcześniejszej domniemanej „protokomórce”. To kolejna wielka przeszkoda dla materialistycznych teorii powstania życia. Miło jest sobie wyobrazić samoorganizującą się dwuwarstwę lipidową otaczającą pełne nadziei cząsteczki RNA przeprowadzające prosty metabolizm, ale byłaby to śmiertelna pułapka, gdyby składniki odżywcze nie mogły przeniknąć do wewnątrz, a produkty przemiany materii nie mogły się wydostać. Co więcej, gdyby proste pory uformowały w dwuwarstwie lipidowej „pojemnik”, na skutek osmozy w protokomórce roiłoby się od toksyn i szkodliwych cząsteczek. Biorąc pod uwagę wszystkie wymagania potrzebne do funkcjonowania protokomórki, trudno sobie wyobrazić sukces będący efektem przypadku.
Przestrzegając w organizmie drugiej zasady termodynamiki, te niesamowite kanały działają lokalnie jak „demony Maxwella”, wymuszając rozdzielanie składników, które normalnie dyfundowałyby do osiągnięcia stanu równowagi. Miejscowe zmniejszenie entropii wynika z wydatkowania energii molekularnej w ATP w bardzo precyzyjny sposób. Czasami hipotetyczny demon Maxwella jest przedstawiany jako mała inteligentna istota kierująca ruchem drogowym, ale może to być też urządzenie zautomatyzowane. Tak czy inaczej, zaprzeczanie naturalnym tendencjom wymaga inteligentnego projektu w każdym mechanizmie, w którym to zaobserwowaliśmy. Kanały błony komórkowej, które w tym artykule ledwie zaczęto eksplorować, jest pośród mechanizmów kontrolujących ruch jak Rolls-Royce na szosach.
Evolution News
Oryginał: Security Gates in the Cell, „Evolution News & Science Today” 2020, April 2 [dostęp 16 VI 2021].
Przekład z języka angielskiego: Klaudia Mogielnicka
Źródło zdjęcia: Pixabay
Ostatnia aktualizacja strony: 16.06.2021
Przypisy
- Z. Sun, Y. et al., Probing Allosteric Coupling in a Constitutively Open Mutant of the Ion Channel KcsA Using Solid-State NMR, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 2020, Vol. 117, No. 13, s. 7171–7175 [dostęp 19 I 2021] (przyp. tłum.).
- R. Zhao et al., Tethered Peptide Neurotoxins Display Two Blocking Mechanisms in the K+ Channel Pore as Do Their Untethered Analogs, „Science Advances” 2020, Vol. 6, No. 10, eaaz3439 [dostęp 19 I 2021] (przyp. tłum.).
- Y.R. Citron, R. Zoncu, A Zinc-Sensing Protein Gives Flies a Gut Feeling for Growth, „Nature” 2020, Vol. 580, s. 187–188 [dostęp 19 I 2021] (przyp. tłum.).
- S. Redhai et al., An Intestinal Zinc Sensor Regulates Food Intake and Developmental Growth, „Nature” 2020, Vol. 580, s. 263–268 [dostęp 19 I 2021] (przyp. tłum.).
- Hodorod od „Hold on, don’t rush” – „Zaczekaj, nie spiesz się” (przyp. tłum.).
- Citron, Zoncu, A Zinc-Sensing Protein Gives Flies a Gut Feeling for Growth, s. 187–188.
- N. Pedemonte et al., Discovery of a Picomolar Potency Pharmacological Corrector of the Mutant CFTR Chloride Channel, „Science Advances” 2020, Vol. 6, No. 8, eaay9669 [dostęp 19 I 2021] (przyp. tłum.).
- Ball-and-Chain Inactivation of Ion Channels Visualized by Cryo-Electron Microscopy, „Weill Cornell Medicine” 2020, March 18 [dostęp 19 I 2021] (przyp. tłum.).
- C. Fan et al., Ball-and-Chain Inactivation in a Calcium-Gated Potassium Channel, „Nature” 2020, Vol. 580, s. 288–293 [dostęp 19 I 2021] (przyp. tłum.).
Literatura:
- Ball-and-Chain Inactivation of Ion Channels Visualized by Cryo-Electron Microscopy, „Weill Cornell Medicine” 2020, March 18.
- Citron Y.R., Zoncu R., A Zinc-Sensing Protein Gives Flies a Gut Feeling for Growth, „Nature” 2020, Vol. 580, s. 187–188.
- Fan C. et al., Ball-and-Chain Inactivation in a Calcium-Gated Potassium Channel, „Nature” 2020, Vol. 580, s. 288-293.
- Pedemonte N. et al., Discovery of a Picomolar Potency Pharmacological Corrector of the Mutant CFTR Chloride Channel, „Science Advances” 2020, Vol. 6, No. 8, eaay9669.
- Redhai S. et al., An Intestinal Zinc Sensor Regulates Food Intake and Developmental Growth, „Nature” 2020, Vol. 580, s. 263–268.
- Sun Z. et al., Probing Allosteric Coupling in a Constitutively Open Mutant of the Ion Channel KcsA Using Solid-State NMR, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 2020, Vol. 117, No. 13, s. 7171–7175.
- Zhao R. et al., Tethered Peptide Neurotoxins Display Two Blocking Mechanisms in the K+ Channel Pore as Do Their Untethered Analogs, „Science Advances” 2020, Vol. 6, No. 10, eaaz3439.