Onderzoekers van het Texas Tech University Health Sciences Center (TTUHSC) Department of Cell Physiology and Molecular Biophysics en het Center for Membrane Protein. Onderzoek heeft de kinetische cyclus van een kaliumkanaal bij atomaire resolutie bepaald. Kaliumkanalen zijn belangrijk voor het normaal functioneren van het menselijk lichaam. De onderzoeksstudie, "De poortcyclus van een K+-kanaal met atomaire resolutie, " stond in het novembernummer van eLife .

Luis G. Cuello, doctoraat, een universitair hoofddocent bij de TTUHSC afdeling Celfysiologie en Moleculaire Biofysica, zei door dit onderzoek, we weten nu elk afzonderlijk atoom van dit molecuul en wat het doet.

Ionenkanalen bevinden zich in elke levende cel van het menselijk lichaam. Ze bemiddelen bij het transport van ionen in en uit de cellen om veel fysiologische processen te signaleren. Neuronen in het zenuwstelsel vertrouwen op ionenkanalen voor cel-naar-cel communicatie. Kaliumkanalen zijn membraaneiwitten die een waterige porie creëren, die wordt gereguleerd door twee interne poorten die op een gecoördineerde manier werken om de stroom van kaliumionen uit de cellen mogelijk te maken.

"In de perfecte wereld, nieuwe en veiligere therapeutische geneesmiddelen zouden alleen interageren met een bepaald gericht ionkanaal, maar er zijn duizenden eiwitten in het menselijk lichaam, elk van hen heeft een andere functie, en niet-specifieke binding van momenteel beschikbare therapeutische geneesmiddelen is de belangrijkste reden voor de ongewenste bijwerkingen van medicamenteuze behandeling, " zei Cuello. "Als een dokter je een medicijn geeft, het interageert niet alleen met een specifiek type eiwit, maar met vele anderen, wat bijwerkingen veroorzaakt. Echter, Als we weten hoe een kaliumkanaal beweegt met een atomaire resolutie, kunnen we ons richten op specifieke plekken in de kanaalstructuur om een ​​bepaalde ziekte te corrigeren en ongewenste bijwerkingen te verminderen. Dit is belangrijk omdat de farmaceutische industrie elk jaar miljarden dollars investeert in de ontdekking van krachtigere en veiligere therapeutische medicijnmoleculen met minder bijwerkingen die de disfunctie van de kaliumkanalen kunnen corrigeren (defect van de kaliumkanalen kan epilepsie veroorzaken, hart-en vaatziekten, chronische pijn en diabetes)."

Kaliumkanalen moeten openen en sluiten om hun normale fysiologische functie in het menselijk lichaam uit te voeren, maar mutaties in het menselijk DNA kunnen een kanaal altijd open of gesloten maken. Dit onderzoek zal de creatie van nieuwe medicijnmoleculen mogelijk maken die kunnen werken als kaliumkanaalopeners of -remmers.

De eenvoudigste beschrijving van de poortcyclus van het poriedomein van een K+-kanaal vereist ten minste vier verschillende kinetische toestanden. de KcsA, een bacterieel kaliumkanaal, is vele jaren geleden gekloond. In 2003, Roderick MacKinnon kreeg de Nobelprijs voor Scheikunde voor zijn werk aan de atomaire resolutiestructuren van ionenkanalen, waaronder twee verschillende kinetische toestanden van de gesloten conformatie van KcsA. Echter, het duurde meer dan een decennium om de structuur van KcsA in de open toestand te bepalen.

Cuello, samen met D. Marien Cortes, ook van de TTUHSC afdeling Celfysiologie en Moleculaire Biofysica, en Eduardo Perozo, doctoraat, een professor van de Universiteit van Chicago, bepaalde twee open toestandsconformaties van KcsA, die samen met de twee eerdere structuren van de gesloten toestanden van Mackinnon's Laboratory, recapituleren hoe KcsA beweegt bij atomaire resolutie. Geen enkel ander laboratorium heeft ooit de kinetische cyclus van een kaliumkanaal op atomair niveau geproduceerd. In de cellulaire omgeving, kaliumkanalen zijn zeer gespecialiseerde eiwitten die verschillende conformaties moeten aannemen om hun biologische functie uit te voeren. Deze moleculen veranderen hun conformatie op een cyclische manier en keren altijd terug naar de begin- of rusttoestand - dit is de kinetische cyclus.

In 2010, Cuello en zijn onderzoeksteam creëerden een mutantkanaal dat altijd open was en hoewel ze de structuur van deze conformatie bepaalden, de resolutie was erg laag, wat een extreem wazig beeld opleverde van KcsA in de open toestand. In dit nieuwe onderzoeksartikel Cuello en zijn lab sloten KcsA open door disulfidebindingen te ontwerpen die het kanaal openhouden en bepaalden twee nieuwe kinetische tussenliggende snapshots met een zeer hoge resolutie, de open-geleidende en de open-geïnactiveerde toestanden, die samen met de bestaande structuren voor de C/O (hoge K+-structuur) en de C/I (lage K+-structuur) conformaties opgelost door het Mackinnon Lab, herschep een kinetische cyclus voor een kaliumkanaal op atomair detail.

"We wisten dat als we het kanaal in actie konden krijgen, terwijl in beweging, we zouden iets kunnen hebben dat lijkt op een film die het openen en sluiten van het kanaal op atomair niveau laat zien, " zei Cuello. "Toen ik jong was, Ik herinner me die stripboeken waarin je door de pagina's om te slaan een kleine tekening kon zien bewegen. We hebben hier precies hetzelfde gedaan, maar met een molecuul en met een atomaire resolutie. KcsA bevat twee verschillende soorten poorten, de activerings- en de inactiveringspoorten. Deze studie laat zien hoe ze samenwerken om de stroom van kaliumionen die uit de cel komen te reguleren."