Kemi: Livsviktiga kanaler

Omkring 30 procent av cellens proteiner är bundna till dess ytterhölje, cellmembranet. Det är sådana proteiner som årets Nobelpristagare i kemi har arbetat med. De har klarlagt hur vatten och joner tar sig in i och ut ur cellen med hjälp av proteiner som ligger inbäddade i membranet. Det sker utan att cellen behöver offra energi på transporten. Forskningsresultaten har framför allt bidragit till grundläggande kunskap om hur celler arbetar, men har också ökat förståelsen för olika sjukdomar i exempelvis njurar och nervsystem.

Snabbt vattenflöde

Priset delas av amerikanerna Peter Agre och Roderick MacKinnon. För andra året i rad belönas forskning om proteiner med Nobelpris i kemi. I fjol gällde det analysmetoder, i år handlar det om proteiners struktur och funktion.

Vatten är den huvudsakliga komponenten i cellerna och i den miljö som omger cellen. Cellmembranet är inte riktigt vattentätt, vilket gör att vattenmolekyler kan tränga in i cellen och ut ur den genom så kallad diffusion. Men det är en långsam process jämfört med det som krävs när vatten transporteras genom cellmembranerna i njurarna, mjölkkörtlarna, tårkanalerna och liknande vävnader.

Kroppens celler och vävnader kan alltså vara mycket olika i fråga om förmågan att avge och uppta vatten. Hur detta kan komma sig har forskare funderat över under långa tider. Att det måste finns speciella kanaler som släpper igenom vatten, men som hindrar joner och andra molekyler att samtidigt slinka med, förstod man. Men hur ser detta besynnerliga filter ut?

Under 1980-talet forskade Peter Agre om proteiner på ytan av röda blodkroppar, det vill säga sådana proteiner som bestämmer vilken blodgrupp man tillhör. Till sin förvåning råkade han hitta ett av proteinerna även i njurvävnad. Det slog honom att detta kunde ha med cellernas vattentransport att göra.

Peter Agre satte i gång att undersöka proteinet och bestämde först dess uppbyggnad aminosyra för aminosyra. När han sedan jämförde hur celler med och utan dessa proteiner på cellmembranerna uppför sig i rent vatten kunde han konstatera stora skillnader.

Äggen sprack

Peter Agre utförde flera experiment. I ett av dem injicerade han sitt protein i grodägg. Proteinet sökte sig till cellmembranet som omger ägget och bildade kanaler eller porer genom vilka vatten obehindrat kunde ta sig in. Äggen svällde upp och sprack. Resultatet tydde på att han var inne på rätt spår.

I ett annat experiment byggde han in de aktuella proteinerna i så kallade liposomer, som består av ett slags membraner enbart. Utan proteiner är de vattentäta, men med protein svällde även dessa upp och sprack. Teorin var bekräftad, och Peter Agre döpte proteinet till akvaporin. I dag känner man till över 200 olika akvaporiner. De finns inte bara hos djur utan även hos växter, svampar och bakterier – och alla har specifika funktioner.

Peter Agre samarbetar med forskare runt om i världen, bland annat med många i Europa. En av dem är Stefan Hohmann, professor i mikrobiologi vid Göteborgs universitet. För två år sedan kom de tillsammans ut med en bok om akvaporiner.

– Peter är en mycket öppen person och lätt att samarbeta med, berättar Stefan Hohmann.

Enligt Stefan Hohmann handlar den intressantaste upptäckten om akvaporinernas förmåga att skilja vattenmolekyler (H2O) från protoner (H+) eller snarare oxoniumjoner (H3O+) som protonerna bildar tillsammans med vatten. För cellen är det livsviktigt att halten av protoner är större inne i cellen än utanför, annars tappar den energi.För tre år sedan var den första högupplösta tredimensionella strukturen hos akvaprionerna klarlagd. Peter Agre kunde då tillsammans med andra forskare förklara hur vattnet tar sig genom kanalen och varför enbart vatten släpps igenom.

Hög urskillningsförmåga

Cellmembranets jonkanaler är konstruerade för olika ändamål och för att passa olika joner specifikt. Ett välkänt exempel är kanaler som släpper ut kaliumjoner i samband med att signaler fortplantar sig i nervsystemet.

Årets andra kemipristagare, Roderick MacKinnon, blev fascinerad av att endast kalium passerar kanalen och inte natrium, trots att de har samma laddning och är så gott som lika stora. Natriumjonen är dessutom något mindre.

Han började med att experimentera med kaliumkanaler, bland annat genom att studera vad som hände när han blockerade kanalerna genom att utsätta dem för skorpiongift. För att komma vidare bestämde han sig för att försöka utföra konststycket att kristallisera jonkanalens protein, något som andra forskare ansåg näst intill omöjligt.

Simulerar vattenhölje

Roderick MacKinnon blev rekryterad till Rockefeller University 1996 av den svenska Nobelpristagaren Torsten Wiesel som då var universitetets rektor. Där lyckades han kristallisera proteinerna och kunde sedan genom så kallad röntgenkristallografi skapa sig en bild av jonkanalens tredimensionella struktur. I april 1998 publicerade han resultaten.

Upplösningen på bilderna blev så bra att de avslöjade den bakomliggande mekanismen. Förklaringen till att kanalen kan skilja mellan kalium och natrium fann han i kanalens öppning. Där möter kaliumjonerna ett filter bestående av syreatomer som ingår i proteinet och därför är fast bundna. Dessa syreatomer är arrangerade på exakt samma avstånd från varandra som de åtta syreatomer som kaliumjonen omger sig med i cellplasmats vatten. Proteinets syreatomer tar emot kaliumjonen som utan energiförlust kan klä av sig sitt vattenhölje och slinka in i kanalen.

Nertill har kanalen en ventil som öppnas och sluts efter behov. Även denna mekanism har Roderick MacKinnon lyckats beskriva. Ventilen styrs av olika slags retningar beroende på vilket slag av cell som kanalen sitter i. Nervcellernas kanaler reagerar på elektrisk spänning. Andra jonkanaler kan styras av exempelvis förändringar i temperatur eller av att membranet töjs ut.

Nya rön ifrågasatta

I Sverige bedrivs forskning om jonkanaler vid Karolinska institutet i Solna. Docent Fredrik Elinder leder en grupp som studerar kaliumkanaler i grodägg.

– Roderick MacKinnon är en lysande och totalt hängiven forskare. Han besökte Sverige för första gången för fyra år sedan när han föreläste på en kurs om jonkanaler, säger Fredrik Elinder.

Han berättar vidare att den första kanal som Roderick MacKinnon lyckades kristallisera kom från en bakterie. Hans beskrivning av den kanalen är helt accepterad av forskarvärlden. Kanalen aktiveras av förändringar i pH.

Men i maj i år publicerade Roderick MacKinnon tillsammans med sina medarbetare i tidskriften Nature en modell av en mycket större kanal som mer liknar dem i våra nervceller. De öppnas när en spänningskänslig del av proteinet blir retad. I Natureartikeln förklaras den mekanism som gör att kanalens ventil öppnas och sluts.

Några veckor senare publicerade tidskriften Science en artikel där flera andra forskare fick komma till tals och där Roderick MacKinnons nya modell starkt ifrågasattes.

Att uppfattningar går isär är något som tillhör forskningsprocessen och kastar ingen skugga över den upptäckt som nu prisbelönas.