Danske forskere skaber banebrydende viden om cellers kalciumpumper – Københavns Universitet

Nyheder > Alle nyheder > 2012 > 2012.10 > Danske forskere skaber...

21. oktober 2012

Danske forskere skaber banebrydende viden om cellers kalciumpumper

grundforskning

Når dyr og planter bliver udsat for påvirkninger som bakterieangreb, lugte og kulde, strømmer der kalciumioner ind i cellerne. Ved hjælp af kalcium får cellerne et signal om, hvad der foregår udenfor, men da høje koncentrationer af kalcium er giftigt for cellerne, skal det hurtigt pumpes ud igen. Nu viser forskere fra Aarhus Universitet og Københavns Universitet i grundforskningscentret PUMPkin, at en kalciumpumpe i cellens ydre membran afpasser pumpehastigheden meget præcist efter kalcium-koncentrationen. Forskningsresultaterne er netop offentliggjort i Nature.

Planten gåsemad, som forskerne har brugt som modelplante

   Planten gåsemad (Arabidopsis thaliana) som
   forskerne har brugt som modelplante for deres
   undersøgelser.

Kalciumpumpen er placeret i den tynde membran, der omgiver cellerne hos mennesker, dyr og planter. Nu har førende forskere fra Aarhus Universitet og Københavns Universitet skabt ny viden om, hvordan kalciumpumpen regulerer mængden af kalcium i cellerne. Mængden af kalcium er nemlig afgørende for cellens sundhed og overlevelse:

 -  Det viser sig, at kalciumpumpen præcist kan måle cellens kalciumindhold, og at pumpen afpasser den hastighed, hvormed den arbejder, efter denne information. Det forhindrer, at koncentrationen af kalciumioner inde i cellen når op på en kritisk koncentration, som skader cellerne. Kalciumpumpen er derfor slukket, når koncentrationen af kalcium er lav, og den aktiveres trinvis, når kalciumkoncentration øges, siger postdoc Henning Tidow og postdoc Lisbeth Rosager Poulsen, der begge har deltaget i det fælles forskningsprojekt.

Forskernes udgangspunkt er kalciumpumpen i cellemembranen hos modelplanten gåsemad (Arabidopsis thaliana), men reguleringsmekanismen gælder også for den tilsvarende kalciumpumpe hos mennesker og dyr.

Kalciumpumper binder to calmodulinproteiner

Tidligere undersøgelser har vist, at kalciumpumper i både dyr og planter virker i samspil med et andet protein, som kaldes calmodulin. Når der er mange kalciumioner i en celle, bindes nogle af dem til calmodulin. Det gør calmodulin i stand til at aktivere kalciumpumpen.

Grafik af calmodulinproteinet

Struktur af det regulatoriske domæne
fra kalciumpumpen.
Grafik: Henning Tidow

 - Vi oprensede den del af kalciumpumpen, som vekselvirker med kalcium-aktiveret calmodulin, og det lykkedes os at krystallisere et proteinkompleks. Til vores store overraskelse fandt vi, at kalciumpumpen binder to calmodulinproteiner, og ikke kun et som videnskaben ellers har troet, forklarer Henning Tidow.

Kalciumpumpen har tre trin

At to calmodulinproteiner er involveret i reguleringen af kalciumpumpens aktivitet betyder, at kalciumpumpen har tre trin. Den er slukket, når der ikke er bundet noget kalcium-aktiveret calmodulin. Den pumper med middelhastighed, når der er bundet ét calmodulinprotein og med fuld fart, når to calmodulinproteiner er bundet til pumpen.  

-  Kalciumpumper skal bruge meget energi for at transportere kalcium ud af cellen. Derfor er det vigtigt, at de kun aktiveres, når der er et reelt behov for at fjerne kalcium. Med to calmodulin-bindende domæner i kalciumpumpen kan cellen justere transporten, så den er energieffektiv, samtidig med at den hurtigt kan reducere antallet af kalciumioner, hvis koncentrationen nærmer sig et giftigt niveau, siger Lisbeth Rosager Poulsen.

Grafikken viser kalciumpumpens tre trin. Klik på figuren for at se den i stor størrelse.  Grafik: Henning Tidow

Grafikken viser kalciumpumpens tre trin. Klik på figuren for at se den i stor størrelse. Grafik: Henning Tidow


 

 

Matematik afdækker biologisk funktion

Forskerne inddrog matematisk netværksmodellering for at afdække, om kalciumpumpen virker forskelligt, alt efter om den aktiveres af nul, et eller to calmodulinproteiner. Det afslørede endnu en egenskab ved kalciumpumpens regulering af kalcium i cellen:

-  Vi kan vise, at cellen først reagerer på indtrængende kalcium, når koncentrationen når over en bestemt tærskelværdi. Det er overraskende og kan have stor betydning for, hvordan celler definerer deres status eksempelvis i forhold til døgnrytme eller under celledeling, slutter Henning Tidow.

Resultaterne, som i fremtiden kan bidrage til udvikling af både ny medicin og nye metoder til produktion af fødevarer, er netop publiceret i det prestigefyldte, internationale tidsskrift Nature.

Læs den videnskabelige artikel.

Forskningsprojektet er udført som et tværfagligt samarbejde mellem Aarhus Universitet og Københavns Universitet i grundforskningscentret PUMPkin, og forskerne har kombineret forskningsdiscipliner som bioinformatik, proteinkrystallografi, biofysik, enzymkinetik, cellebiologi og ikke mindst matematisk netværksmodellering. PUMPkin centeret er et såkaldt Centre of Excellence og er finansieret af Danmarks Grundforskningsfond.

Kontakt:

Postdoc Henning Tidow
Institut for Molekylærbiologi og Genetik, PUMPkin
Aarhus Universitet
Mobil: 89425262

Postdoc Lisbeth Rosager Poulsen,
Institut for Plante- og Miljøvidenskab, PUMPkin

Københavns Universitet
tlf: 35332595

Professor Michael Broberg Palmgren
Institut for Plante- og Miljøvidenskab, PUMPkin
Københavns Universitet
Tlf: 35332592

Professor Poul Nissen, centerleder for PUMPkin,
Aarhus Universitet
Mobil: 28992295