Internationalt forskningssamarbejde afslører mekanismen for kroppens vigtigste batteri
Forskere fra Aarhus Universitet har i samarbejde med en japansk forskningsgruppe afklaret strukturen af et afgørende enzym – den såkaldte natrium-kalium-pumpe – der sidder i alle kroppens celler. Resultatet, som netop er offentliggjort i Nature, kan bane vejen for ny forståelse af neurologiske sygdomme.
Det kan ikke ses med det blotte øje, og du mærker det ikke, men op til 40 procent af din krops energi går til at forsyne den mikroskopiske natrium-kalium-pumpe med energi. Pumpen arbejder konstant i alle celler hos mennesker og dyr. Den fungerer som et lille batteri, der bl.a. opretholder saltbalancen, som er helt afgørende for, at muskler og nerver kan fungere.
Natrium-kalium-pumpen transporterer natrium- og kaliumioner ud og ind af cellen i en fast cyklus. Undervejs ændrer pumpen struktur. Man har længe været klar over, at pumpen findes i en natrium- og en kaliumform. Men det har været et mysterium, hvad den strukturelle forskel bestod i, og hvordan pumpen skelner mellem natrium og kalium.
Struktur løser gåden
I 2007 og 2009 lykkedes det bl.a. med deltagelse af de aarhusianske forskere at bestemme strukturen af proteinet i den kaliumbundne form. I kraft af et internationalt samarbejde mellem professor Chikashi Toyoshimas gruppe på Tokyo Universitet og Aarhus Universitet er det nu også lykkedes at bestemme strukturen af proteinet i den natriumbundne form. Og det i så høj opløsning - 0,28 nanometer - at man for første gang kan se natriumionerne, og hvor de bindes i pumpens struktur.
”Den nye proteinstruktur viser, hvordan de små natriumioner kan bindes og efterfølgende transporteres ud af cellen, hvorimod de lidt større kaliumioner udelukkes. Vi forstår nu, hvordan pumpen kan skelne mellem natrium og kalium på det molekylære plan. Det er et meget stort fremskridt inden for forskningen af ion-pumper og kan hjælpe os til at forstå og behandle alvorlige neurologiske sygdomme, som har at gøre med mutationer i natrium-kalium-pumpen - bl.a. en form for parkinsonisme og halvsidig lammelse hos børn, hvor natriumbindingen er defekt”, fortæller Bente Vilsen, professor på Aarhus Universitet, der sammen med lektor Flemming Cornelius har stået i spidsen for den aarhusianske del af forskningsprojektet.
Ved for første gang præcist at lokalisere natriumionerne og påvise, hvorledes pumpen er i stand til at binde natrium, viser det nye resultat - sammen med en nyligt offentliggjort Science-rapport om natrium-kalium-pumpens struktur - at Aarhus Universitet stadig er i front inden for dette forskningsfelt.
Imponeret Nobelprismodtager
Den livsvigtige pumpe blev opdaget i 1957 af professor Jens Christian Skou fra Aarhus Universitet, som modtog Nobelprisen for sin opdagelse i 1997. Det nye resultat er kulminationen på 5-6 årtiers arbejde med opklaringen af mekanismen for cellernes livsnødvendige motor.
”I sin tid, da det første elektronmikroskopiske billede blev taget, og enzymet viste sig som en millimeter stor prik i en forstørrelse på 250.000 gange, tænkte jeg, hvordan i alverden det nogensinde skal lykkes at nå frem til strukturen af enzymet. Pumpen sender kalium ind i cellerne og natrium ud og kan således skelne mellem de to ioner. Men hidtil har det været et mysterium, hvordan det kunne lade sig gøre”, siger den pensionerede professor Jens Christian Skou, der trods sine 94 år stadig følger med i udviklingen af den forskning, han satte i gang for over 50 år siden.
”Nu har forskerne fundet frem til den struktur, der gør, at enzymet kan identificere natrium, som kan føre til en detaljeret forståelse af, hvordan pumpen virker. Det er imponerede og noget, jeg ikke engang turde drømme om,” slutter Jens Christian Skou.
Figuren viser den tunnellignende indgang til bindingsstedet i natrium-kalium-pumpen i den form, der binder natrium. De tre små natriumioner bindes i pumpen (violette til venstre), hvorimod der ikke er plads til de større kaliumioner (grønne til højre). Det blå net viser proteinets indre overflade, der spærrer for kaliumionerne. Bogstavkoden angiver de viste aminosyrer i pumpen, der er vigtige i bindingsprocessen.
Læs mere
Resultaterne er publiceret i Nature i originalartiklen ”Crystal structure of a Na+-bound Na+, K+-ATPase preceding the E1P state”fileadmin/user_upload/Billede3_2000x1209.jpg
Yderligere oplysninger
Professor Bente Vilsen
Aarhus Universitet, Institut for Biomedicin
Direkte telefon: 8716 7736
Mobil: 2382 2977
bv@fi.au.dk
Lektor Flemming Cornelius
Aarhus Universitet, Institut for Biomedicin
Direkte telefon: 8716 7746
Mobil: 2945 4673
fc@biophys.au.dk