De meeste ionkanalen zijn erg selectief over de ionen die er wel of niet doorheen gaan. Ze kunnen geleidend zijn voor kaliumionen en niet-geleidend voor natriumionen, of vice versa. Echter, een aantal ionenkanalen zorgen voor een efficiënte doorgang van beide soorten ionen. Hoe bereiken deze kanaaleiwitten dit? Een team van wetenschappers rond Dr. Han Sun en de onderzoeksgroep van professor Adam Lange van het Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) vond het antwoord op deze vraag.

Hun studie onthulde structurele en dynamische verschillen tussen selectieve en niet-selectieve ionkanalen. De wetenschappers beschreven hun bevindingen en conclusies in het tijdschrift Natuurcommunicatie . In niet-selectieve kanalen, het selectiviteitsfilter vertoont een aanzienlijke dynamiek die niet aanwezig is in selectieve kanalen. Het selectiviteitsfilter van niet-selectieve ionenkanalen kan in twee verschillende vormen voorkomen. Afhankelijk van de toestand van het selectiviteitsfilter, het ene of het andere iontype kan passeren.

Ionenkanalen spelen een prominente rol in organismen. Bijvoorbeeld, ionenkanalen zijn in actie wanneer het organisme prikkels registreert en de informatie in de vorm van elektrische signalen doorgeeft aan de hersenen. Tijdens deze signaaloverdracht geladen atomen (ionen) moeten de betrokken cellen binnenkomen en verlaten. Ionen kunnen lipofiele celmembranen niet doordringen. In plaats daarvan, ze passeren eiwitkanalen in de celmembranen.

Vaak, de ionenkanalen laten slechts één specifiek iontype door, d.w.z. ze kunnen geleidend zijn voor kalium maar niet voor natriumionen of omgekeerd. Het selectiviteitsfilter dat het smalste deel van het kanaal is, is verantwoordelijk voor deze ionendiscriminatie. Echter, het NaK-kanaal zorgt voor de doorgang van zowel natrium- als kaliumionen. Het stond centraal in de huidige studie door FMP-wetenschappers rond Dr. Han Sun en Professor Adam Lange samen met collega's in Göttingen (Duitsland) en Hefei (China).

Niet-selectieve ionenkanalen zijn erg belangrijk in de geneeskunde.

Tot nu, het is controversieel gebleven waarom NaK-kanalen de doorgang van zowel natrium- als kaliumionen mogelijk maken. Professor Adam Lange legt uit:"Terwijl röntgenkristallografische beelden ons de driedimensionale structuur van het kanaal lieten zien, het was moeilijk uit te leggen waarom dit kanaal geleidend is voor twee verschillende ionentypes met een vergelijkbare hoge efficiëntie. Dit was bijzonder moeilijk te begrijpen omdat de volgorde en de 3D-structuur van het selectiviteitsfilter vergelijkbaar zijn met die in kaliumselectieve kanalen."

Wetenschapper Dr. Han Sun voegde eraan toe dat dit een modelsysteem is voor verschillende andere niet-selectieve ionenkanalen in het menselijk lichaam. In deze context, de cyclische nucleotide-gated en hyperpolarisatie-geactiveerde cyclische nucleotide-gated kanalen (CNG- en HCN-kanalen) zijn medisch en fysiologisch relevant. "We weten dat CNG-kanalen belangrijk zijn voor zicht en geur. Disfunctionele HCN-kanalen zijn betrokken bij verschillende neurologische aandoeningen zoals epilepsie of autisme."

Specifieke ionen geven de voorkeur aan specifieke kanaalstructuren

De wetenschappers gebruikten een combinatie van nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie en computerondersteunde moleculaire dynamica-simulaties. De resultaten lieten zien dat het selectiviteitsfilter van het NaK-kanaal dynamisch verandert tussen twee structuren. Elke structuur is geleidend voor een van de twee ionentypes. Dr. Han Sun zegt, "Verrassend genoeg, de computersimulaties toonden aan dat kaliumionen die door het NaK-kanaal gaan, de voorkeur geven aan de structuur van een kaliumselectief kanaal, terwijl het mechanisme van de natriumionenpassage vergelijkbaar is met de passage van natriumionen door een natriumselectief ionenkanaal." Tot nu toe, onderzoekers geloofden dat de structuur van het selectiviteitsfilter hetzelfde is voor het transport van natrium- en kaliumionen door het NaK-kanaal.

Om verder bewijs te verzamelen voor de cruciale rol van de dynamische structuur van het NaK-selectiviteitsfilter, de wetenschappers experimenteerden met een gemuteerd NaK-kanaal (NaK2K dubbele puntmutatie). Dit gemuteerde NaK-kanaal is alleen geleidend voor kaliumionen. Professor Adam Lange doet verslag van de resultaten:"Ons NMR-onderzoek heeft duidelijk gemaakt dat het selectiviteitsfilter van dit kanaal slechts één enkele structuur vormt."