No hay moléculas de agua entre los iones en el filtro de selectividad de potasio.
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No hay moléculas de agua entre los iones en el filtro de selectividad de potasio.

¿Solo los iones de potasio pasan a través del filtro de selectividad de un canal de potasio, o hay moléculas de agua entre los iones? Esta pregunta ha sido una fuente de controversia durante años. Los investigadores dirigidos por el profesor Adam Lange del Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) en Berlín ahora han podido demostrar que las moléculas de agua no migran conjuntamente a través del canal de potasio. Dado que los experimentos se llevaron a cabo en membranas celulares en condiciones naturales por primera vez, los investigadores tienen pruebas sólidas en sus manos. Su trabajo acaba de ser publicado en la revista Science Advances.

Nuestras células necesitan iones de potasio, por ejemplo, para transmitir impulsos nerviosos o para controlar la frecuencia cardíaca. Es por eso que prácticamente todas las células humanas, o para ser más precisos, la membrana de una célula, está equipada con canales de potasio. Debido a que los canales de potasio son de importancia fundamental para los procesos biológicos, e incluso los cambios más pequeños pueden provocar enfermedades graves, las pequeñas moléculas de proteínas son el foco de los esfuerzos de investigación en todo el mundo. De hecho, en 2003, un investigador estadounidense recibió el Premio Nobel de Química por su aclaración sobre la estructura de los canales de potasio.

Sin embargo, la cuestión de cómo el potasio realmente pasa a través del canal para cruzar la membrana celular, aún no está clara. Durante mucho tiempo, se supuso que a cada ion de potasio le seguía una molécula de agua y que los elementos se alineaban, como eslabones en una cadena, y pasaban por la parte más estrecha del canal de potasio, el llamado filtro de selectividad, uno después del otro. Esto se basó en el hecho de que los iones de potasio están cargados positivamente y se repelen entre sí sin las moléculas de agua intermedias. Sin embargo, este mecanismo fue cuestionado en 2014 por investigadores de Göttingen dirigidos por el profesor Bert de Groot: las simulaciones por computadora mostraron que no hay moléculas de agua en el filtro de selectividad de los canales de potasio. Sin embargo, esto no terminó el debate. Posteriormente, se publicaron estudios adicionales que parecían respaldar el mecanismo anterior y aparentemente refutaron el nuevo.

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Transporte de potasio a través del filtro de selectividad de un canal iónico selectivo de potasio. El canal, presentado en naranja, solo es permeable a los iones de potasio (grandes esferas verdes). Las moléculas de agua (pequeñas esferas azules) y otros iones, como el sodio (no mostrado) no pueden pasar a través del canal. (Crédito: Barth van Rossum / FMP)

Ahora los investigadores del FMP en Berlín han aportado claridad al controvertido debate: el Dr. Carl Öster y Kitty Hendriks del grupo de investigación del Prof. Adam Lange y otros colegas del FMP pudieron mostrar por primera vez por medio de energía nuclear de estado sólido Espectroscopía de resonancia magnética (RMN) que los iones de potasio en realidad migran a través de los canales de potasio sin moléculas de agua en el medio. Sus hallazgos muestran que los iones de potasio se colocan directamente uno detrás del otro y se empujan entre sí a través del canal de potasio, de abajo hacia arriba.

"La tecnología que utilizamos nos permite observar proteínas de membrana en membranas celulares reales en condiciones naturales, por ejemplo a temperatura ambiente o concentraciones fisiológicas de sal", explica Kitty Hendriks. "Por lo tanto, hemos podido demostrar que bajo estas condiciones definitivamente no hay agua entre los iones de potasio en el filtro de selectividad".

Las primeras indicaciones de esto provienen de simulaciones por computadora y también hay datos cristalográficos de rayos X que sugieren la ausencia de moléculas de agua en el filtro de selectividad de los canales de potasio. "Sin embargo, estas investigaciones se realizaron en condiciones artificiales", enfatiza el Dr. Carl Öster. "Con nuestros datos complementarios obtenidos a través de la espectroscopía de RMN, ahora tenemos un argumento de peso pesado en la mano de que el mecanismo más nuevo es el correcto".

Los investigadores de FMP y sus colegas del Instituto Max Planck de Química Biofísica dirigido por el profesor Bert de Groot, cuyas simulaciones de dinámica molecular asistidas por computadora también se incorporaron al estudio, han demostrado que no hay moléculas de agua entre los iones de potasio.

Un factor importante para dilucidar el mecanismo fue el hecho de que el FMP es uno de los principales centros mundiales para investigaciones espectroscópicas de RMN y está involucrado en el desarrollo continuo de esta compleja tecnología. "Hace cinco años, ciertamente no hubiéramos podido demostrar esto de esa manera, pero ahora hemos llegado a un punto en el que podemos responder efectivamente esta importante pregunta", dijo el profesor Adam Lange, jefe del grupo de investigación. que se centra en la investigación de proteínas de membrana, como los canales iónicos. Agrega: "Dado que los procesos en los canales de potasio son fundamentales para nuestra salud, nuestros resultados tienen una gran importancia que también se extiende más allá de la investigación básica".

El trabajo fue financiado por el Consejo Europeo de Investigación como parte de una subvención ERC al Prof. Lange y por la Fundación Alemana de Investigación (DFG; Grupo de Investigación 2518). (Fuente: Forschungsverbund Berlin)

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