Исследователи Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН) предложили механизм, объясняющий физико-химические основы селективной проводимости бактериальных натриевых каналов. Результаты исследования опубликованы в статье в журнале Structure, а иллюстрация к статье попала на обложку номера.

Натриевые каналы играют важную роль в природе, например обусловливают возбудимость нервной системы и мышц. Их селективная проводимость интенсивно изучается многие десятилетия, однако её физико-химические основы до сих пор не ясны. В новой теоретической работе учёные из ИБХ РАН предложили механизм «вторичного хелатирования», ключевую роль в котором играет пространственная организация молекул воды в гидратной оболочке иона. Селективный фильтр бактериального натриевого канала устроен так, чтобы оптимально взаимодействовать с гидратной оболочкой Na+, тогда как оболочка K+ вынуждена «сжиматься», что препятствует прохождению иона.

Моделирование молекулярной динамики показало, что селективный фильтр бактериального натриевого канала Na_vM_s организован так, чтобы оптимально взаимодействовать с гидратной оболочкой Na⁺ в энергетически выгодной октаэдрической стереометрии. Таким образом селективный фильтр позволяет беспрепятственно проходить ионам Na⁺ через канал. Гидратная оболочка второго наиболее распространённого катиона K⁺ имеет форму квадратной антипризмы, и в селективном фильтре она вынуждена «сжиматься». Это приводит к возникновению энергетического барьера на пути прохождения иона K⁺ через канал, что и является причиной селективности.

Механизм селективности калиевых каналов, открытый лауреатом Нобелевской премии Родериком Маккинноном и коллегами в 1998 году, по аналогии может быть назван «первичным хелатированием» (или просто хелатированием). Полярные группы селективного фильтра калиевых каналов (карбонилы основной цепи белка) пространственно ориентированы таким образом, чтобы замещать молекулы воды в гидратной оболочке K⁺, но не Na⁺. Детальному изучению этого принципа посвящено предыдущее исследование авторов «К вопросу о селективности калиевых каналов, или откуда белкáм известно о квадратной антипризме?».

Два механизма распознавания ионов ионными каналами: прямое («первичное хелатирование», как в калиевых каналах) и через гидратную оболочку («вторичное хелатирование», как в бактериальных натриевых каналах) аналогичны тому, как мы узнаем музыкальный инструмент: по его внешнему виду, либо посмотрев на форму футляра, в котором он хранится и переносится.

Источник: ИБХ РАН.