Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Sidste billede i molekylær tegneserie på plads

Forskere ved Aarhus Universitet har i samarbejde med et nystartet biotekfirma fået tegnet det sidste billede i en videnskabelig ”tegneserie”, der illustrerer kalciums vandring og funktion i kroppen. Opdagelsen er publiceret i tidsskriftet Nature og har stor betydning for udvikling af ikke mindst medicin til hjertepatienter.

07.03.2013 | Anne-Mette Siem

The calcium pump

The SERCA calcium pump is located in the sarcoplasmic reticulum membrane and pumps calcium ions (yellow) out of the cytoplasm in muscle cells. The sarcolipin molecule (turquoise) keeps the SERCA structure in place with the door open for calcium. This door is illustrated as a pink structure that moves up and down to open and close the door for the calcium ions’ transport pockets inside the protein.

To glas mælk om dagen! Det er børnelærdom, at kroppen har brug for kalk eller kalcium, som det rettelig drejer sig om. Men hvad laver kalcium egentligt i kroppen, og hvorfor kan vi ikke overleve uden det?

Forskere ved Aarhus Universitet har fundet frem til en vigtig brik i vores forståelse af kalciums cyklus i cellen. De har nemlig identificeret sidste del af hvordan kroppens kalciumpumpe sørger for pumpe kalciummet ud i musklerne. Resultatet er netop blevet publiceret i Nature og kan blandt andet hjælpe til at udvikle mere målrettet medicin til hjertepatienter.

Kalcium styrer musklernes trækninger

Kalcium spiller en vigtig rolle i en lang række af kroppens funktioner; blandt andet som byggesten for knogler og tænder. Men en af de allervigtigste funktioner for stoffet er, at det sætter en lang række processer i gang i celler, såsom musklernes sammentrækning.

Så længe vores muskler er inaktive, er kalcium lagret mellem muskelcellerne og også inde i cellerne i et indre kalciumlager. Lageret er omgivet af en membran og kaldes ”sarkoplasmatisk reticulum”. Når vi ønsker at bevæge musklerne bliver de aktiverede via impulser fra nerverne, som åbner for nogle specielle kalcium-kanaler, der ligger i cellemembranerne. Kanalerne får kalcium til at strømme ind i muskelcellerne, hvor det binder sig til musklernes filamenter som nu trækker sig sammen – muskelarbejdet kan begynde.

Men musklerne skal også kunne afspænde igen lige så hurtigt som de har trukket sig sammen, og kalciumniveauet skal derfor tilbage til det lave startniveau. Det er især vigtigt for hjertemusklen, hvor selv de mindste forstyrrelser i rytmen mellem spænding og afspænding kan skabe livstruende problemer.

Muskelcellernes flyttemand

Molekylet, der står for at pumpe kalcium tilbage fra muskelcellernes og ind i det sarkoplasmatiske reticulum – altså det indre kalciumlager - er et protein ved navn SERCA. SERCA er en molekylær kalciumpumpe placeret i den tætte membran, der omgiver kalciumlagret.

Viden om hvordan denne pumpefunktion foregår, er en vigtig forudsætning for, at vi kan forstå, hvordan muskelvævet regulerer sin spænding og afslapning – og for at vi kan bruge den viden til for eksempel at udvikle medicin til patienter, der har hjerterytmeforstyrrelser.

Tegneserie viser pumpens funktion

En forskningsgruppe på Aarhus Universitet har nu fundet en vigtig brik i forståelsen af kalciumpumpen. Gruppen, der bliver ledet af professor Poul Nissen, har specialiseret sig i en teknik, der hedder proteinstrukturanalyse. Ved hjælp af meget stærk røntgenstråling kan forskerne gøre proteinmolekyler synlige, selvom de kun måler en hundrede-milliontedel af en millimeter. Med teknikken kan de fremstille et tredimensionelt billede af SERCA-molekylet, opbygget af tusinder af atomer.

Gennem de seneste år har gruppen lavet flere billeder af SERCA i forskellige stadier af dens pumpecyklus. Sammen med billeder fra andre forskningsgrupper i verden kan man sætte billederne op som en hel tegneserie over pumpens funktion. På den måde har man fået forståelse af hvordan molekylet bevæger sig, mens det pumper kalcium.

Det sidste billede på plads

Men der har manglet et billede for at gøre tegneserien komplet. Det billede er det nu lykkedes forskerne i Aarhus at optage i samarbejde med firmaet PCovery i København. Billedet viser, hvordan pumpens ”indgangsdør” står vidt åben, så kalciumionerne kan komme ind.

Hemmeligheden bag billedet er, at det lykkedes forskerne at stabilisere SERCA-pumpen med hjælp af dens naturlige modspiller i muskelvævet; Sarcolipin. Sarcolipin er et mindre protein, der binder til SERCA, og som holder kalcium-døren åben. I kroppen virker det som en bremseklods, der nedsætter pumpe-hastigheden. Bremsemekanismen er meget vigtig for den fine regulering af musklernes spændingstilstand. Ved at løse strukturen af SERCA og Sarcolipin, når de sidder sammen, har forskerne slået to fluer med et smæk: de fik fundet frem til den sidste tegning i tegneserien om SERCA , og samtidig kan de nu forstå, hvordan Sarcolipin præcist fungerer som bremseklods på SERCA i musklerne.

Resultatet har stor betydning for udviklingen af ny hjertemedicin. Noget forskerne arbejder videre med Pcovery om at udvikle.


Læs mere om samarbejdet i pressemeddelelserne Pcovery and Højteknologifonden.
Læs originalartiklen "The sarcolipin-bound calcium pump stabilizes calcium sites exposed to the cytoplasm" i Nature.


For yderligere information kontakt

Postdoc Maike Bublitz
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
tlf: 8715 0000, mail: mbu@mb.au.dk

Professor Poul Nissen
Leder af PUMPkin Centret
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
tlf: 45 2899 2295, mail: pn@mb.au.dk

Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Offentligheden / Pressen