Afgørende ny indsigt i nobelpris-belønnet pumpes hemmeligheder

Jens Chr. Skou fik Nobelprisen for at opdage natrium-kaliumpumpen. Nu har et forskerhold fra Aarhus fuldført beskrivelsen af dens struktur. Et resultat, der er af basal betydning for vores forståelse af kroppens funktioner og som er vigtig for forståelse af sygdom og for udvikling af nye lægemidler.

19.09.2013 | Anne-Mette Siem

Strukturen af natrium-kaliumpumpen placeret i en skematisk cellemembran, hvor cellens ydre miljø er øverst og det indre miljø nederst. Til venstre i blå ses den eksperimentelle gengivelse af pumpens struktur i den natrium-bundne form, som er opnået ved røntgenkrystallografi. Det blå net angiver, hvor atomer er placeret i lange kæder af aminosyrer, som opbygger pumpen som proteinmolekyle. Ved siden af ses en skematisk gengivelse af strukturen, hvor de forskellige farver angiver forskellige, bevægelige dele af pumpen. Den omtrentlige position af de tre Na+ ioner er angivet med små, gule kugler. Til højre ses pumpens struktur i den kalium-bundne form med samme farveangivelser og to kaliumioner som mørkelilla kugler. Man ser tydeligt ændringer i strukturen. Strukturerne svarer til to centrale trin i den funktionelle cyklus, som for hver runde pumper tre natrium-ioner ud og to kalium-ioner ind i cellen.

Maria Nyblom (Foto: privat)

Pontus Gourdon (Foto: Lisbeth Heilesen)

Hanne Poulsen (Foto: Lisbeth Heilesen)

Natrium-kaliumpumpen er en god Aarhus-historie. I 1957 opdagede Jens Christian Skou fra Aarhus Universitet pumpen, der er livsvigtig for vores cellers funktion. I 1997 modtog han Nobelprisen i kemi for sin opdagelse, og gennem årene har forskning i pumpen været en meget markant aktivitet på universitetet. I 2007 lykkedes det, i et samarbejde mellem forskergrupper på Aarhus Universitet, at beskrive strukturen af den kaliumbundne form af pumpen - nu kan Aarhusforskere også beskrive den anden form af pumpen; den natriumbundne tilstand. Resultatet er netop offentliggjort i tidsskriftet Science.

Pumpen er central for kroppens funktion

Natrium-kaliumpumpen er et livsvigtigt enzym, der findes i hver eneste af kroppens celler, hvor den hele tiden sørger for, at ionbalancen er optimal. Det bruger den rigtig meget energi til – omkring en fjerdedel af kroppens brændstof, det såkaldte ATP, bliver brugt til at holde pumpen kørende; i hjernen er det endda helt op mod 70 %.

Natrium-kaliumpumpen pumper to kaliumioner ind i cellen og tre natriumioner ud ad cellen ved hjælp af energien fra et ATP-molekyle. Det gør, at der bliver opbygget store koncentrationsforskelle mellem cellens indre og ydre miljø. Forskelle som er essentielle for kommunikation og transport ind og ud af cellen af fx næringsstoffer og for kontrol af cellens pH og volumen. Hvis pumpen er defekt i hjerneceller giver det svære neurologiske sygdomme, som migræne med aura, spastiske muskelkramper eller halvsidig lammelse.

Viden om pumpen er derfor afgørende for, at vi kan forstå energiregnskabet og vigtige funktioner i kroppen, og for at vi forstår de sygdomsmekanismer, der er forbundet med  fejl i pumpen. Den viden er også vigtig for at kunne udvikle nye lægemidler rettet mod pumpen.

Unge tværfaglige forskere skaber større viden

Vejen til beskrivelsen af den natriumbundne form af pumpen er gået via et tværfagligt samarbejde på Aarhus Universitet. Natrium-ioner er små og svære at påvise entydigt med en enkelt metode. Men ved at tage en hel række forskellige metoder i brug, er det lykkes at lave en samlet beskrivelse af den natriumbundne form af pumpen.

- ”Beskrivelsen er et afgørende skridt på vejen til at forstå pumpens funktion - nu ved vi hvor og hvordan, vi skal fokusere videre studier”, siger professor Poul Nissen, der er en af forskerne bag det nye resultat, og som også stod i spidsen for strukturbeskrivelsen af den kaliumbundne form. 

- ”Men studiet peger også fremad på andre måder: Unge forskere har været de centrale aktører på dette arbejde og har udviklet og tilført helt ny viden og nye metoder i biomedicinsk grundforskning. Afdækning af pumpens hemmeligheder er ikke bare spændende forskning, men stimulerer også udvikling og tiltrækning af nye forskertalenter til gavn for både universiteter og virksomheder”, siger Poul Nisssen.

Ringen sluttet

Ved at beskrive begge sider af natrium-kaliumpumpen er forskerne nået et vigtigt skridt i forhold til at forstå den pumpe, Jens Christian Skou fandt tilbage i 1957 .Vi forstår i dag, hvordan pumpen fungerer som en ”molekylær nanomaskine”, og vi kan se, hvordan den bliver påvirket af mutationer, der medfører defekte pumper. Herfra stiler forskerne mod en mere detaljeret beskrivelse og et dybere kendskab til pumpens funktion og betydning i sundhed og sygdom.


Artiklens titel: Crystal structure of Na+,K+-ATPase in the Na+-bound state.

Forfattere: Maria Nyblom, Hanne Poulsen, Pontus Gourdon, Linda Reinhard, Magnus Andersson, Erik Lindahl, Natalya Fedosova & Poul Nissen

Aarhusforskerne bag studiet:
Maria Nyblom, Pontus Gourdon og Hanne Poulsen har delt førsteforfatterskabet på artiklen. Maria har krystalliseret pumpen med natriumioner og bestemt og analyseret dens struktur sammen med Pontus og Linda Reinhard. Hanne har udført elektrofysiologiske målinger og afprøvet modeller for ionernes placering, og Natalya Fedosova har forestået biokemiske studier af den natrium-bundne form. Poul Nissen har koordineret studiet. Forfatterne har fremstillet krystallerne på natrium-kaliumpumpepræparater modtaget fra Janne Petersen og Bente Vilsen.

Resultatet er et samarbejde mellem Institut for Molekylærbiologi og Genetik og Institut for Biomedicin samlet i Grundforskningscentret PUMPkin og er tilknyttet det danske EMBL-center DANDRITE.

Finansering: Studiet er finansieret af Danmarks Grundforskningsfond og er yderligere støttet af bevillinger fra det europæiske forskningsråd (ERC), Det Frie Forskningsråd i Danmark, Lundbeckfonden og Carlsbergfondet.


Video

Filmen viser en såkaldt morphing mellem de kendte krystalstrukturer af natrium-kaliumpumpen. Først bindes tre natriumioner inde fra cellen og lukker pumpen til. Det er det artiklen I Science beskriver. Dernæst lukkes disse ud på den anden side af membranen. To kaliumioner hopper bagefter ind og lukker pumpen til igen. Kaliumionerne vil siden lukkes ind i cellen, men dette trin kender vi endnu ikke. Hele processen får energi fra en trinvis spaltning af det energirige molekyle ATP. (Video: Jesper Lykkegaard Karlsen)

youtu.be/1zvnsrKQ2Jg


Mere information:

Professor Poul Nissen
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet.
Tlf: 2899 2295. Mail: pn@mb.au.dk

Offentligheden / Pressen, Institut for Molekylærbiologi og Genetik