С начала 1980-х годов нейробиологов занимает загадка, зачем нервным клеткам нужны BK-каналы (от Big Potassium — «большой калий»), пропускающие ионы калия в 10-20 раз легче любых других каналов этого рода. Возможный ответ нашла команда Окинавского института науки и технологий во главе с Эриком Де Шуттером. Результаты работы опубликованы в журнале Communications Biology.
Нервные клетки переговариваются короткими электрическими разрядами — спайками, и от точности их синхронизации зависят управление движениями, память и обработка ощущений. Возникают спайки, когда заряженные ионы проходят сквозь каналы в оболочке клетки, и здесь BK-каналам нет равных. Устройство этих рекордсменов давно описано, но зачем эволюции понадобилась такая мощность, научное сообщество до сих пор не понимало. К тому же у разных животных была разная проводимость: сильнейшие каналы — у млекопитающих и птиц, а у моллюсков и насекомых они заметно скромнее.
Де Шуттер вместе с эволюционистами Томасом Бургиньоном и Симоном Хеллемансом нанес проводимость BK-каналов на эволюционное дерево животных по геномным данным и прежним измерениям: чем ближе вид к млекопитающим, тем мощнее его каналы. Затем в программе молекулярного моделирования STEPS исследователи воспроизвели работу каналов разной мощности с учетом концентрации кальция — именно четыре его иона открывают каждый BK-канал.
Расчеты ученых вскрыли ловушку слабых каналов. Чтобы пропустить столько же калия, их приходится открывать гораздо больше, и они начинают конкурировать друг с другом за кальций, которого на всех не хватает. Мощным каналам птиц и млекопитающих это не грозит. Важно и то, что при слабой проводимости размывается момент появления спайка — время его рождения «плавает».
«Мы предполагаем, что именно точность времени спайков стала ключевым эволюционным давлением, подтолкнувшим рост проводимости каналов у млекопитающих. По мере усложнения движений субмиллисекундная точность стала необходимой», — объясняет Де Шуттер.
Модель, как признают сами авторы, упрощенная, поскольку работу каналов проверяли на одном типе нейронов — клетках Пуркинье мозжечка, участвующих в управлении движениями. Но BK-каналы встречаются во многих тканях и влияют, например, на сокращение мышц, так что выводы пригодятся не только нейробиологам, но и клеточным биологам и эволюционистам.
Ранее нейробиолог рассказал, можно ли вылечить болезнь Альцгеймера.