Nowe światło na sposób detekcji napięcia elektrycznego przez błony komórkowe
Potencjał elektryczny błony komórkowej jest wykrywany przez wyspecjalizowane białka nazywane kanałami jonowymi bramkowanymi napięciem. To właśnie te transmembranowe kanały są odpowiedzialne za przepuszczanie naładowanych jonów. Pole elektryczne ulega największym zmianom właśnie w obszarze transmembranowym tych białek; po wykryciu pola elektrycznego białka uśredniają poziom napięcia, otwierając i zamykając kanał jonowy. Część procesów molekularnych powiązanych z wykrywającymi napięcie bramkami aktywacyjnymi kanałów jonowych została już wyjaśniona w drodze symulacji komputerowych. W ramach finansowanego ze środków UE projektu VOLTSENS (Probing the sequence determinants of ion channel voltage sensing via computation: Towards the design of custom-tailored voltage-sensing modules) naukowcy chcieli lepiej poznać mechanizm aktywacji tych bramek. W szczególności starano się określić, które markery są konserwatywne, a tym samym zbadać funkcjonowanie bramek wykrywających napięcie. W pierwszej kolejności zespół obliczył energię swobodną podczas zmiany stanu kanału potasowego, wykorzystując w tym celu metody modelowania molekularnego na poziomie atomowym. Badanie mechanizmów aktywacji bramek napięciowych kanału potasowego pozwoliło uzupełnić wiedzę w zakresie dynamiki kanałów jonowych w ujęciu mikroskopowym i makroskopowym oraz potwierdziło wpływ barier determinujących szybkość na działanie bramek kanałów, co podejrzewano już od dłuższego czasu. Na podstawie ogromnej ilości danych wygenerowanych podczas symulacji dynamiki molekularnej zespół sprecyzował rolę reszt aminokwasowych w aktywacji obszarów wykrywających napięcie. Uzyskane wyniki pozwoliły inaczej spojrzeć na mutacje tych reszt występujące przy chorobach układu sercowo-naczyniowego. Bramki wykrywające napięcie można sobie wyobrazić jako modułowe maszyny biomolekularne przetwarzające obecne w komórkach sygnały elektryczne z użyciem wysoce konserwatywnego mechanizmu aktywacji. W oparciu o te dane zespół stworzył protokół dopasowywania różnych sekwencji wykrywania napięcia, jednocześnie szukając wzorców i prawidłowości charakteryzujących sposób, w jaki zasady projektowania ewolucyjnego regulują funkcję tzw. czujnika napięcia. Modele oraz wyniki doświadczalne badań eksperymentalnych były ze sobą zgodne; z tego powodu na ich podstawie sformułowano hipotezę dotyczącą strukturalnych i funkcjonalnych właściwości obszarów wykrywających napięcie. Analiza porównawcza dużych zbiorów sekwencji kanałów sodowych i potasowych ujawniła cechy specyficzne dla tych kanałów i pozwoliła opracować model bramkowania. Wyniki i odkrycia projektu zostały opublikowane w wielu czasopismach naukowych.
Słowa kluczowe
Błony komórkowe, czułość napięciowa, kanały jonowe bramkowane napięciem, VOLTSENS, kanał potasowy
