Крошечные заряженные частицы — протоны — способны полностью менять химические взаимодействия вокруг нас. Достаточно добавить немного лимонного сока, чтобы вкус блюда стал другим, или использовать уксус для консервации овощей. В организме же соляная кислота в желудке запускает процесс расщепления пищи. Оказалось, что этот же механизм работает и внутри клеточных мембран, управляя потоками жизненно важных ионов кальция. Исследователи из Национального Цинхуаского университета обнаружили удивительную систему контроля, которую можно сравнить с двумя разными защелками на одной двери. Результаты их работы опубликованы в авторитетном научном журнале.

 

Кальций как универсальный внутриклеточный сигнал

Для большинства людей кальций — это прежде всего строительный материал для костей и зубов. Однако внутри клеток этот элемент выполняет совершенно иную функцию: он служит критически важным сигнальным механизмом. Именно кальций помогает клеткам обмениваться информацией, реагировать на внешние раздражители, расти и даже принимать решение о собственном выживании.

Поскольку влияние ионов кальция на биологические процессы чрезвычайно велико, клеткам приходится очень жестко контролировать их перемещение. Недостаток потока кальция ослабляет важные сигналы, а его избыток создает токсическую нагрузку, приводящую к повреждению структур. Чтобы понять, как именно крошечные мембранные белки справляются с этой задачей, ученые обратились к изучению кальциевого канала под названием BsYetJ.

Этот белок был выделен из бактерий Bacillus subtilis, но его значимость выходит далеко за пределы мира микробов. Он относится к древнему семейству мембранных белков TMBIM, родственные структуры которого присутствуют и в организме человека. Представители этого семейства регулируют кальциевый баланс и участвуют в ответе клетки на стресс, поэтому BsYetJ стал отличной моделью для изучения фундаментальных принципов работы ионных каналов.

 

Два молекулярных зажима вместо одного

Ученые предполагали, что управление каналом происходит по простой схеме: кислая среда — канал открылся. Однако детальные измерения токов на искусственных липидных мембранах показали гораздо более тонкую картину. Оказалось, что за чувствительность к кислотности отвечают две независимые структуры, которые авторы исследования назвали электростатическими защелками.

Эти защелки представляют собой так называемые солевые мостики — прочные связи между частями белка, имеющими противоположные заряды. Когда среда становится более кислой, избыток протонов ослабляет эти мостики, что приводит к изменению формы белка. Главный вывод исследования заключается в том, что каждая из этих двух защелок выполняет свою уникальную задачу:

• Первая защелка работает как обычная щеколда на двери. Когда протоны ослабляют эту связь, часть белка смещается, и вероятность того, что канал откроется, резко возрастает;
• Вторая защелка расположена ближе к входу в канал. Она не отвечает за само открытие «двери», но регулирует внутреннюю электрическую среду внутри поры. Именно она определяет, насколько легко ионам кальция будет протиснуться через уже открытый проход.

Это открытие заставляет пересмотреть привычное представление об ионных каналах как о простых устройствах с двумя положениями — «открыто» или «закрыто». На самом деле один и тот же белок может контролировать и частоту срабатывания, и интенсивность потока.

 

Как ученые наблюдали за движением атомов

Чтобы увидеть эти процессы в динамике, одних электрических измерений было недостаточно. Исследовательской группе пришлось применить метод двухэлектронной спектроскопии резонанса (DEER). Этот сложный физический метод позволяет измерять расстояния между атомами внутри белка с точностью до нанометров.

С помощью спектроскопии ученые зафиксировали, что одна из трансмембранных спиралей белка действительно сдвигается в пространстве, когда размыкается первая защелка. Объединив данные измерений с компьютерным моделированием, биофизики создали трехмерные модели белка в закрытом и открытом состояниях. На этих моделях отчетливо виден непрерывный туннель, через который проходит кальций.

Однако искусственные мембраны в лаборатории — это одно, а живая клетка со всеми ее сложностями — совсем другое. Оставался вопрос: будет ли эта двойная система контроля работать в реальных условиях живого организма?

 

Проверка в реальных условиях живой клетки

Для проверки теории в «полевых условиях» ученые использовали нанодиски — крошечные фрагменты липидной мембраны, созданные в лаборатории. В них встраивали очищенный белок BsYetJ и вводили этот комплекс непосредственно в мембраны клеток млекопитающих. Такой подход позволил изучать работу конкретных вариантов белка без необходимости вмешиваться в генетику самих клеток.

Следить за тем, что происходит внутри клеток, помогла флуоресцентная микроскопия. Она наглядно показала уровень кальция в реальном времени. Результаты полностью подтвердили данные, полученные на искусственных системах.

Если разрушали первую защелку, клетка начинала реагировать на кальций гораздо быстрее, что говорило об увеличении частоты открытия канала. Если же выводили из строя вторую защелку, поток ионов становился мощнее, так как ионам было легче преодолевать внутреннее сопротивление поры. А при одновременном нарушении обеих структур эффект оказался максимальным: кальций хлынул в клетку бесконтрольно.

 

Древний принцип биологической безопасности

Самое интригующее в этой работе — физическая простота описанного механизма. Белок BsYetJ не обладает сложным «интеллектом». Он просто реагирует на базовые химические силы: кислотность, заряды и градиенты ионов. Из этих простых факторов природа собрала двухступенчатую систему контроля.

Нет никакой гарантии, что белки человека используют точно такие же детали, но сам принцип, вероятно, сохраняется в процессе эволюции. Исследование показало, как древние семейства мембранных белков используют локальные электростатические силы для тонкой настройки обмена веществ. На микроскопическом уровне всё сводится к двум крошечным солевым мостикам. На макроскопическом — это основа того, как химия превращается в биологический контроль.

Понимание того, как работает такой «двойной ключ», открывает новые перспективы для разработки лекарств. Нарушения в работе кальциевых каналов связаны со множеством заболеваний, и теперь у регуляторов появился новый инструмент для воздействия на эти процессы. Один «зажим» может отвечать за частоту импульсов, а другой — за их силу, что дает беспрецедентную точность в управлении клеточными сигналами.