Нобелевская премия 2003 года по химии - Популярная информация - NobelPrize.org

  1. Информация для общественности
  2. Молекулярные каналы через клеточную стенку
  3. Водные каналы
  4. Медицинское значение водных каналов
  5. Ионные каналы
  6. Ионоселективный канал
  7. Первый ионный канал картирован - атом за атомом
  8. Понимание болезней

Информация для общественности   8 октября 2003 г

Информация для общественности

8 октября 2003 г.

Вся живая материя состоит из клеток. У одного человека столько же звезд в галактике, сколько около ста тысяч миллионов. Различные клетки - например, мышечные клетки, почечные клетки и нервные клетки - действуют вместе в сложной системе в каждом из нас. Благодаря новаторским открытиям, касающимся водных и ионных каналов клеток, нобелевские лауреаты этого года Питер Агре и Родерик Маккиннон внесли фундаментальный химический вклад в функционирование клеток. Они открыли нам глаза на фантастическое семейство молекулярных машин: каналы, вентили и клапаны, которые необходимы клетке для функционирования.

Молекулярные каналы через клеточную стенку

Для поддержания равномерного давления в клетках важно, чтобы вода могла проходить через клеточную стенку. Это было известно давно. Появление и функционирование этих пор долгое время оставалось одной из классических нерешенных проблем биохимии. Только в 1990 году Питер Агре открыл первый водный канал. Как и многое другое в живой клетке, все было связано с белком.

Молекулы воды - не единственные объекты, которые проходят в и из клетки. Для того чтобы тысячи миллионов клеток могли функционировать как нечто большее, чем один большой ком, необходима координация. Таким образом, связь между клетками необходима. Сигналы, посылаемые внутри и между клетками, состоят из ионов или небольших молекул. Они запускают каскады химических реакций, которые заставляют наши мышцы напрягаться, наши глаза к воде - действительно, которые контролируют все наши функции организма. Сигналы в нашем мозге также включают такие химические реакции. Когда мы пинаем палец ноги, это начинает сигнал к мозгу. Вдоль цепочки нервных клеток через взаимодействие между химическими сигналами и ионными токами информация передается от клетки к клетке, как эстафета в эстафете.

Именно в 1998 году Родерику Маккиннону впервые удалось показать, как выглядят ионные каналы на атомном уровне - достижение, которое, наряду с открытием Агром водных каналов, открыло совершенно новые области исследований в области биохимии и биологии.

Медицинские последствия открытий Агре и Маккиннона также важны. Ряд заболеваний можно отнести к плохому функционированию в водных и ионных каналах организма человека. Благодаря фундаментальным знаниям о том, как они выглядят и как они работают, теперь появляются новые возможности для разработки новых и более эффективных фармацевтических препаратов.

Водные каналы

Охота на водные каналы

Еще в середине девятнадцатого века стало понятно, что в клеточной мембране должны быть отверстия для потока воды и солей. В середине 1950-х годов было обнаружено, что вода может быстро транспортироваться в клетки и из них через поры, которые пропускают только молекулы воды. В течение следующих 30 лет это было детально изучено, и был сделан вывод, что должен быть какой-то тип селективного фильтра, который предотвращает прохождение ионов через мембрану, в то время как незаряженные молекулы воды текут свободно. Тысячи миллионов молекул воды в секунду проходят через один канал!

Хотя это было известно, только в 1992 году кто-то смог определить, как в действительности выглядит этот молекулярный механизм; то есть, чтобы определить, какой белок или белки образовали фактический канал. В середине 1980-х годов Питер Агре изучал различные мембранные белки из красных кровяных клеток. Он также нашел один из них в почке. Определив как его пептидную последовательность, так и соответствующую последовательность ДНК, он понял, что это должен быть белок, который многие искали

Агре проверил свою гипотезу в простом эксперименте (рис. 2), где он сравнил клетки, которые содержали рассматриваемый белок, с клетками, у которых его не было. Когда клетки помещали в водный раствор, те, у кого в мембранах был белок, поглощали воду путем осмоса и набухали, в то время как клетки, в которых не было белка, не были затронуты вообще. Агре также провел испытания с искусственными клетками, называемыми липосомами, которые представляют собой тип мыльного пузыря, окруженного снаружи и внутри водой. Он обнаружил, что липосомы стали проницаемыми для воды, если белок был посажен в их мембранах.

Что такое осмос?
Давление жидкости в растительных и животных клетках поддерживается с помощью осмоса. При осмосе небольшие молекулы (например, вода) проходят через полупроницаемую мембрану. Если мембрана не пропускает макромолекулы или соли, которые находятся в более высоких концентрациях на одной стороне мембраны, маленькие молекулы (вода) пересекают эту сторону, пытаясь «разбавить» вещество, которое не может пройти через мембрану. Возникающее таким образом осмотическое давление является причиной, по которой клетки часто опухают и становятся жесткими, например, в цветочном стебле.

Питер Агре также знал, что ионы ртути мешают клеткам поглощать и высвобождать воду, и он показал, что перенос воды через его новый белок также предотвращается ртутью. Это сделало его еще более уверенным в том, что он обнаружил, что на самом деле было водным каналом. Агре назвал белок аквапорин «водяная пора».

В 2000 году вместе с другими исследовательскими группами Agre опубликовал первые изображения с высоким разрешением трехмерной структуры аквапорина. С помощью этих данных можно было детально отобразить, как функционирует водный канал. Как получается, что он допускает только молекулы воды, а не другие молекулы или ионы? Мембране, например, не разрешается пропускать протоны. Это очень важно, потому что разница в концентрации протонов между внутренней и внешней частью ячейки является основой сотовой системы накопления энергии.

Селективность является центральным свойством канала. Молекулы воды пробиваются через узкий канал, ориентируясь в локальном электрическом поле, образованном атомами стенки канала. Протоны (или, скорее, ионы оксония, H3O +) останавливаются на пути и отклоняются из-за их положительных зарядов.

Медицинское значение водных каналов

За последние десять лет водные каналы превратились в весьма актуальную область исследований. Аквапорины оказались большим семейством белков. Они существуют в бактериях, растениях и животных. Только в человеческом теле было найдено по меньшей мере одиннадцать различных вариантов.

Функция этих белков теперь картирована у бактерий, растений и животных, с акцентом на их физиологическую роль. У людей водные каналы играют

Почка - это оригинальный аппарат для удаления веществ, от которых организм хочет избавиться. В его обмотках (называемых клубочками), которые функционируют как сито, вода, ионы и другие мелкие молекулы оставляют кровь в качестве «первичной» мочи. За 24 часа вырабатывается около 170 литров первичной мочи. Большинство из них реабсорбируются рядом хитрых механизмов, так что в итоге около одного литра мочи в день покидает организм.

Из клубочков первичная моча проходит через извилистую трубку, где около 70% воды реабсорбируется в кровь аквапорином AQP1. В конце трубки еще 10% воды реабсорбируется аналогичным аквапорином, AQP2. Помимо этого, ионы натрия, калия и хлорида также реабсорбируются в кровь. Антидиуретический гормон (вазопрессин) стимулирует транспорт AQP2 к клеточным мембранам в стенках трубки и, следовательно, увеличивает всасывание воды из мочи. Люди с дефицитом этого гормона могут быть поражены несахарным диабетом с ежедневным выходом мочи 10-15 литров.

Ионные каналы

Клетки сигнализируют солью!

Первый физик-химик, немец Вильгельм Оствальд (Нобелевская премия по химии, 1909), предложил в 1890 году, что электрические сигналы, измеряемые в живой ткани, могут быть вызваны ионами, движущимися внутрь и наружу через клеточные мембраны. Эта электрохимическая идея быстро получила признание. Представление о существовании какого-то типа узкого ионного канала возникло в 1920-х годах. Два британских ученых, Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, совершили крупный прорыв в начале 1950-х годов и за это были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1963 году. Они показали, как транспорт ионов через мембраны нервных клеток производит сигнал, который передается от нервная клетка к нервной клетке, как эстафета. В этих реакциях активны в основном ионы натрия и калия, Na + и K +.

Таким образом, еще пятьдесят лет назад было хорошо развито знание центральных функций ионных каналов. Они должны были быть в состоянии допустить один тип иона избирательно, но не другой. Аналогично, каналы должны были открываться и закрываться, а иногда проводить ионы только в одном направлении. Но как на самом деле работал этот молекулярный механизм, так и осталось загадкой.

Ионоселективный канал

В течение 1970-х годов было показано, что ионные каналы способны пропускать только определенные ионы, потому что они были оснащены неким «ионным фильтром». Особый интерес вызвал поиск каналов, которые допускают ионы калия, но не ионы натрия, хотя ион натрия меньше, чем ион калия. Предполагалось, что атомы кислорода в белке играют важную роль в качестве «заменителя» молекул воды, которыми ион калия окружает себя в водном растворе и от которого он должен освободиться во время входа в канал.

Но дальнейший прогресс в этой гипотезе был трудным - теперь требовались только изображения с высоким разрешением, тип которых может обеспечить только рентгеновская кристаллография. Проблема заключалась в том, что с помощью этого метода чрезвычайно сложно определить структуру мембранных белков, и ионные каналы не стали исключением. Мембранные белки растений и животных более сложны и трудны в работе, чем белки бактерий. Использование белков бактериальных каналов, которые максимально похожи на ионные каналы человека, возможно, может предложить путь для продвижения вперед.

Многие исследователи тщетно пытались. Прорыв произошел с неожиданного направления. Родерик Маккиннон, после изучения биохимии, обратился к медицине и получил квалификацию врача. Проработав несколько лет врачом, он настолько заинтересовался ионными каналами, что начал заниматься исследованиями в этой области: «Моя научная карьера фактически началась в возрасте 30 лет», признался он. Но его карьера началась быстро. Понимая, что для понимания работы ионных каналов необходимы более совершенные структуры с более высоким разрешением, он решил изучить основы рентгеновской кристаллографии. Прошло всего несколько лет, прежде чем он удивил все исследовательское сообщество, представив структуру ионного канала. Это было в апреле 1998 года.

Первый ионный канал картирован - атом за атомом

В 1998 году Маккиннон определил первую структуру ионного канала с высоким разрешением, названную KcsA, из бактерии Streptomyces lividans. Маккиннон впервые показал, как ионный канал функционирует на атомном уровне. Ионный фильтр, который пропускает ионы калия и останавливает ионы натрия, теперь может быть подробно изучен. Мало того, что было возможно распутать, как ионы проходили через канал, они также могли быть замечены в кристаллической структуре - окруженной молекулами воды непосредственно перед тем, как они попадают в ионный фильтр; прямо в фильтре, и когда они встречают воду на другой стороне фильтра (рис. 4). Маккиннон может объяснить, почему ионы калия, а не ионы натрия, пропускаются через фильтр, а именно потому, что расстояние между ионом калия и атомами кислорода в фильтре такое же, как между ионом калия и атомами кислорода в молекулах воды, окружающих ион калия, когда он находится вне фильтра. Таким образом, он может скользить через фильтр без сопротивления. Однако ион натрия, который меньше, чем ион калия, не может пройти через канал. Это потому, что он не помещается между атомами кислорода в фильтре и, следовательно, остается в водном растворе. Способность канала отделять ион калия от его воды и позволять ему проходить без затрат энергии является своего рода селективным каталитическим переносом ионов.

Ячейка также должна иметь возможность контролировать открытие и закрытие ионных каналов. Маккиннон показал, что это достигается воротами в нижней части канала, которые открывали и закрывали молекулярный «сенсор». Этот датчик расположен близко к воротам. Определенные датчики реагируют на определенные сигналы, например увеличение концентрации ионов кальция, электрическое напряжение на клеточной мембране или связывание сигнальной молекулы какого-либо типа. Подключая различные датчики к ионным каналам, природа создала каналы, которые реагируют на большое количество различных сигналов.

Высокое разрешение изображения (JPEG 173 КБ)

Рис. 3. Прохождение молекул воды через аквапорин AQP1. Из-за положительного заряда в центре канала положительно заряженные ионы, такие как H3O +, отклоняются. Это предотвращает утечку протонов через канал. ВНУТРИ ИОННОГО ФИЛЬТРА (B)
Для ионов калия расстояние до атомов кислорода в ионном фильтре такое же, как в воде. Ионы натрия, которые меньше, не помещаются между атомами кислорода в фильтре. Это мешает им войти в канал.

Понимание болезней

Мембранные каналы являются предварительным условием для всего живого. По этой причине более глубокое понимание их функции является важной основой для понимания многих болезненных состояний. Обезвоживание различных типов и чувствительность к теплу связаны с эффективностью аквапоринов. Например, европейские волны тепла последних лет привели ко многим смертельным случаям, причина которых иногда была связана с проблемами поддержания баланса жидкости в организме. В этих процессах аквапорины имеют решающее значение.

Нарушения в функции ионных каналов могут привести к серьезным заболеваниям нервной системы, а также мышц, например, сердца. Это делает ионные каналы важными

Иллюстрации: Типоформ

Ссылки и дальнейшее чтение

Родерик Маккиннон
Медицинский институт Говарда Хьюза
Лаборатория молекулярной нейробиологии и биофизики
Университет Рокфеллера
1230 York Avenue, Нью-Йорк,
Нью-Йорк 10021
Соединенные Штаты Америки

Вернуться к началу

Вернуться к началу Возврат пользователей к началу страницы Peter Agre
Кафедра биологической химии
420 Физиологический корпус
Медицинский факультет Университета Джона Хопкинса
725 North Wolfe Street
Балтимор Мэриленд 21205
США Гражданин США. Родился в 1949 году (54 года) в Нортфилде, штат Миннесота, США. Бакалавр в Аугсбургском колледже, Миннеаполис, специальность химия, 1970 год. Доктор медицины в Медицинской школе Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, 1974. С 1993 года профессор биологической химии и профессор медицины в Медицинской школе Джона Хопкинса. Гражданин США. Родился в 1956 году (47 лет). Вырос в Берлингтоне за пределами Бостона, США. Бакалавр в Университете Брандейса, Бостон, 1978. Доктор медицины в Медицинской школе Тафтса в Бостоне, 1982 год. С 1996 года профессор молекулярной нейробиологии и биофизики в Университете Рокфеллера в Нью-Йорке.

Похожие

ФСГ: fs-germany.org
FSG 2019 будет проходить с 5 по 11 августа 2019 года в Хоккенхайме. Категория: 2019 г., Конкурс FSG 2019 Конкурсный справочник был создан, чтобы дополнить Правила учеников Формулы 2019, определяя ключевые даты, сроки и важную информацию о самом конкурсе. Это было обновлено
Лучшие приложения тревожности 2019 года
тревожность это чрезвычайно распространенный, но тем не менее чрезвычайно разрушительный опыт. Работа с тревогой может означать бессонные ночи, упущенные возможности, тошноту и полномасштабное панические атаки это может удержать вас от ощущения себя полностью. Терапия с профессионалом часто оказывается огромной помощью, но знание того, что вы вооружены
Аэробные упражнения - хронические - Информация для пациентов - Инсульт двигателя
Авторы: Эрика Кадер; Адам Каган, бакалавр наук; Натали Серрат, BSC PT; Аманда Ишаек Бакалавр PT; Сабрина Янни, BSc, PT; Кэролайн Лабель, бакалавр гуманитарных наук; Сухдип Джохал, Bsc PT; Моника Троццо BSc. PT; Элисса Ситкофф, бакалавр наук; Николь Корнер-Битенский, к.т.н. Что такое аэробика? Почему упражнения важны после инсульта? После Инсульт Обычно возникают постоянные трудности с подвижностью,
Фильтр для воды от Алана Тьюринга прошел первый тест
Алан Тьюринг, изображенный на скульптуре Стивена Кеттла, известен как ученый-компьютерщик и взломщик кодов, но также совершил набеги на математическую биологию. Кредит: Стив Меддл / REX / Shutterstock Исследователи из Китая разработали фильтр, который удаляет соль из воды в три раза быстрее, чем обычные фильтры. Мембрана имеет уникальную наноструктуру трубчатых прядей, вдохновленную математически-биологической
Преимущества комбинированных антисептических препаратов в профилактике и лечении болезней горла
25/07/2018 При лечении болезней горла необходимо прежде всего уничтожить вредную микрофлору и устранить болевые ощущения. Для этого в клинической практике используют специальные препараты, содержащие как антисептические вещества, так и анестетики. Такие препараты выпускаются обычно в форме раствора для полосканий горла, аэрозолей и пастилок для рассасывания. Одним из таких комбинированных лекарственных средств, который представлен на рынке Украины, является Лидоксан
В конце дня вы чувствуете деликатное царапание в горле. Или уже около полудня, когда вы много говори...
В конце дня вы чувствуете деликатное царапание в горле. Или уже около полудня, когда вы много говорите или поете, ваша гортань дает вам сигналы, легкую боль, раздражение. Вы думаете, что простуда начинается. Между тем, этот симптом может быть информацией для вас, что вашему организму не хватает воды. Даже небольшое обезвоживание значительно ухудшает наше самочувствие, снижает уровень энергии и очень плохо влияет на состояние голосовых связок и работу гортани. Увеличенное усилие, которому
Понимание нейронных карт с помощью Topographica - Brains, Minds & Media
Понимание нейронных карт с помощью Topographica Институт адаптивных и нейронных вычислений, Эдинбургский университет, 5 Forrest Hill, Эдинбург EH1 2QL, Великобритания электронная почта: [email protected] Аннотация. Биологическую функцию нейронов часто можно понять только в контексте больших, сильно взаимосвязанных сетей. Эти сети обычно образуют двумерные топографические карты, такие как ретинотопические карты зрительной коры млекопитающих.
Бельгийская служба здравоохранения
Поездка за границу на работу, вероятно, не избежит этой болезни. Мы просто люди, и у всех грипп, верно? В этом и других случаях визит к врачу необходим. Так что же делать, если вам приходится пользоваться услугами специалиста во время работы в Бельгии? Необходимую информацию можно найти ниже, пожалуйста, прочитайте!
Растительные масла и их значение
Растительные жиры являются продуктом растительного происхождения, который, наряду с распространением достижений цивилизации в виде оборудования и технологий получения масла, занял свое новое место в меню многих национальностей. В Польше до начала девяностых годов двадцатого века в кулинарии чаще всего использовался животный жир в виде масла и сала, иногда бекона. С тех пор в результате многих изменений, в том числе привычных, потребление животных жиров к растительным жирам значительно
Клиника диетологии и психодиетики
Создание сайта займет пару часов с такими услугами, как Wix , Bluehost и Shopify , Как только вы закончите выбор шаблон сайта , вам понадобится хостинг сайтов
Лаборатория нервно-сосудистой генетики, Тринити-колледж, Дублин
Вы здесь Исследование Эл. адрес: [email protected] Биографическая информация Д-р Мэтью Кэмпбелл окончил Университетский колледж Дублина (UCD) в 2006 году со степенью доктора биохимии, а затем в докторантуре

Комментарии

Дорогое ли медицинское обслуживание в Норвегии?
Дорогое ли медицинское обслуживание в Норвегии? Имеют ли поляки, работающие на севере Европы, доступ к бесплатному медицинскому обслуживанию или они должны платить за все? Как записаться на прием к врачу? Эти и другие вопросы обязательно появятся в вашей голове, прежде чем вы отправитесь в эту страну. Чтобы не тратить часы на поиск достоверной информации, ознакомьтесь с нашим сборником самых важных действующих в стране фьордов правил!
Почему стоит вакцинировать собаку от болезней, упомянутых выше?
Почему стоит вакцинировать собаку от болезней, упомянутых выше? Бешенство очень опасно как для людей, так и для животных. Источником инфекции могут быть различные виды млекопитающих - собаки, кошки, лисы, грызуны. В Польше нам пока не удалось полностью бороться с бешенством. К сожалению, болезнь не излечима, инфицированные собаки всегда умирают. В случае полости носа молодые и пожилые собаки подвергаются наибольшему риску, заболевание поражает дыхательную, пищеварительную
Можно ли использовать Superpep® для предотвращения болезней во время путешествия?
Можно ли использовать Superpep® для предотвращения болезней во время путешествия? Если вы подвержены болезням во время путешествий, рекомендуется принимать по 20 мг жевательной резинки Superpep® Travel для предотвращения симптомов. Начните принимать за час до вылета. Какие преимущества у резиновой крошки перед туристическими планшетами? Superpep® Travel Жевательная резинка Dragées 20 мг особенно удобна на ходу. Они могут быть оптимально дозированы. Их принимают
Насколько мы далеки от решения проблемы болезней, передаваемых комарами?
Насколько мы далеки от решения проблемы болезней, передаваемых комарами? Посмотри на фильм. Премьера документа "Москит" состоится в четверг, 6 июля, в 22.00 на канале Discovery. Фильм также будет доступен для просмотра в пятницу, 7 июля, по адресу 21.00 на планете животных. Подробнее о вирусе Зика Мы также рекомендуем в нашем блоге:
Но действительно ли имеет значение, сколько или теоретические предпосылки не соответствуют прагматическим, чтобы ожидать выгоды от употребления красного вина?
Но действительно ли имеет значение, сколько или теоретические предпосылки не соответствуют прагматическим, чтобы ожидать выгоды от употребления красного вина? вино красное вино, которое собрало лучи лета, становится одним из напоминаний о связи человека с землей и природой. Отойдя от этой связи, мы должны

Что такое осмос?
Как получается, что он допускает только молекулы воды, а не другие молекулы или ионы?
Что такое аэробика?
Почему упражнения важны после инсульта?
Мы просто люди, и у всех грипп, верно?
Так что же делать, если вам приходится пользоваться услугами специалиста во время работы в Бельгии?
Дорогое ли медицинское обслуживание в Норвегии?
Имеют ли поляки, работающие на севере Европы, доступ к бесплатному медицинскому обслуживанию или они должны платить за все?
Как записаться на прием к врачу?
Почему стоит вакцинировать собаку от болезней, упомянутых выше?