Unikke billeder viser nye sider af natriumkalium-pumpen
Natriumkalium-pumpen er en livsvigtig del af vores celler, men den er så lillebitte, at den ikke engang kan ses i et mikroskop. Ved hjælp af særlige røntgenbilleder er det nu lykkedes danske forskere at kortlægge pumpens struktur.

Natriumkalium-pumpen sidder på overfladen af alle kroppens celler. Den pumper hele tiden to kaliumioner ind i cellen og tre natriumioner ud ad cellen, og til det arbejde forbruger den en stor del af kroppens brændstof, det såkaldte ATP. (Illustration: Shutterstock)

På cellerne i din krop sidder en lillebitte pumpe, som du formentlig ikke skænker en tanke i det daglige.

Men du bruger faktisk ikke mindre end en fjerdedel af al din energi til at drive den lille pumpes aktivitet, og pumpen er en fuldstændig grundlæggende betingelse for, at du er i live.

Nu har en forskergruppe fra Aarhus Universitet fået kortlagt, hvordan den særlige natriumkalium-pumpe ser ud, mens den arbejder.

»Natriumkalium-pumpen er helt central for vores fysiologi, og alle celler afhænger helt kritisk af dens aktivitet. Derfor er det rigtig vigtigt, at vi forstår helt ned i detaljen, hvordan den er opbygget og fungerer,« siger Poul Nissen, som er professor og leder af grundforskningscentret PUMPkin, Center for Membranpumper i Celler og Sygdom ved Aarhus Universitet.

Han er en af forskerne bag den nye undersøgelse, som netop er blevet publiceret i det videnskabelige tidsskrift Science.

Natriumkalium-pumpen skifter konstant udseende

Natriumkalium-pumpen sidder forankret på overfladen af kroppens celler - i cellemembranen  - og som navnet antyder, pumper den løs af nogle elektrisk ladede partikler, som kaldes natriumioner og kaliumioner.

For at kunne lave dette arbejde er pumpen nødt til at bruge noget energi, og det får den i form af energimolekylet ATP.

Videoen viser en animation af natriumkalium-pumpens skiftende struktur, mens den arbejder. Den bygger blandt andet på viden fra røntgenkrystallografiske billeder. Video: Jesper Karlsen, Aarhus Universitet.

For hver omgang natriumkalium-pumpen kører, forbruger den et ATP-molekyle, og dermed får pumpen brændstof nok til at føre tre natriumioner ud af cellen og to kaliumioner ind i cellen.

Men i løbet af denne cyklus har det ifølge Poul Nissen vist sig, at selve pumpen i høj grad ændrer udseende og struktur.

»Under de forskellige tilstande i cyklussen får natriumkalium-pumpen forskellige strukturer – den tredimensionelle opbygning af de tusinder af atomer, som pumpen består af, ændrer sig markant.«

»Vi har allerede tidligere beskrevet, hvordan strukturen er, mens kalium er bundet til pumpen. Nu har vi så fundet ud af, hvordan strukturen er, når natrium er bundet til den – og de er meget forskellige,« siger Poul Nissen.

Lektor: Et imponerende stykke arbejde

Poul Nissen fortæller, at man kan sammenligne Natriumkalium-pumpens skiftende udseende med en motor, som også kører og forbrænder energi.

»Mens en motor kører vil der også være forskellige positioner af aksler, tandhjul, ventiler og stempler. På samme måde skifter natriumkaliumpumpen struktur, mens den arbejder,« siger Poul Nissen.

På Københavns Universitet mener lektor Claus Juul Løland, at den nye undersøgelse er »et imponerende stykke forskningsarbejde.«

Fakta

Natriumkalium-pumpen er et livsvigtigt enzym, som findes i hver eneste af kroppens celler.

Pumpen sidder på overfladen af cellen – i cellemembranen – og pumper hele tiden løs af nogle positivt ladede partikler, som kaldes kaliumioner (K+) og natriumioner (Na+).

For at skabe en optimal ionbalance skyder pumpen to K+ ind i cellen og tre Na+ ud ad cellen.

Det betyder, at der bliver opbygget store koncentrationsforskelle mellem cellens indre og ydre miljø.

Disse koncentrationsforskelle danner basis for en elektrisk spænding over cellemembranen, som er essentiel for, at hele vores krop kan fungere.

Når Natriumkalium-pumpen udfører sit arbejde, forbruger den omkring en fjerdedel af kroppens brændstof, det såkaldte ATP.

I hjernen er det endda helt op mod 70 % af det tilførte brændstof, som går til at holde pumpen kørende.

Kilde: Aarhus Universitet

»Den grundlæggende årsag til, at sådan en undersøgelse er super interessant er selvfølgelig, at natriumkalium-pumpen er så utrolig vigtig for vores celler. Vi ville aldrig kunne overleve uden denne her pumpe.«

»Undersøgelsen giver os et nyt og bedre indblik i, hvordan natriumkalium-pumpen er opbygget og fungerer,« siger lektor Claus Juul Løland fra Institut for Neurovidenskab og Farmakologi på Københavns Universitet.

Han har ikke været en del af den nye undersøgelse, men han forsker selv i strukturer og funktioner af cellers membranproteiner.

Arven fra en nobelpristager

I dansk sammenhæng har Natriumkaliumpumpen da også en helt særlig historie.

Det var nemlig den danske læge og biofysiker Jens Christian Skou, som opdagede pumpen, og det fik han Nobelprisen i kemi for i 1997.

Sin opdagelse gjorde Jens Christian Skou imidlertid allerede i 1950’erne, hvor han studerede nogle nerveceller fra krabber. Her bemærkede han et særligt enzym på krabbernes cellemembran, som viste sig at være det, som vi i dag kender som natriumkalium-pumpen.

Natriumkalium-pumpen kan ikke ses i mikroskop

Men selvom vi altså har kendt til Natriumkalium-pumpen i mange årtier, er der ifølge Poul Nissen stadig en række deltaljer omkring pumpens mekanisme, som forskerne endnu ikke kender.

Figurerne viser forskellige trin i forskernes analyse af natriumkaliumpumpens struktur. På første billede fra venstre ses krystaller af natrium-kaliumpumpen, som forskerne har brugt til analyse med intens røntgenstråling. Herudfra opnår forskerne såkaldte røntgendiffraktionsbilleder, som eksemplet vist i midten. Den blå figur til højre bliver udledt af røntgendiffraktionsbillederne og er et såkaldt elektrontæthedskort - det viser hvor atomerne er placeret og dermed altså natriumkalium-pumpens struktur. Et elektrontæthedskort kan sammenlignes med et mikroskopbillede - bare med langt finere detalje, og set med røntgenstråler, så man kan udlede molekylær struktur. (Fotos udlånt af Maria Nyblom, Pontus Gourdon og Poul Nissen, AU)

Det skyldes blandt andet, at pumpen er så lillebitte, at den ikke engang kan ses i et mikroskop. Hver pumpe har en dimension på ca. 65 x 75 x 150 Ångstrøm, hvor en Ångstrøm er en ti milliontedel millimeter.

For at kunne afsløre, hvordan natriumkaliumpumpen helt præcist er opbygget, har forskerne derfor været nødt til at gøre brug af en række andre metoder end at stikke hovederne hen til et mikroskop.

De aarhusianske forskere har først og fremmest brugt en metode, som kaldes røntgenkrystallografi.

Pumpen bombarderes med røntgenstråler

Ved røntgenkrystallografi tager man et slags fotografi af molekyler ved at bestråle dem med meget intense røntgenstråler. Røntgenstrålerne reflekteres tilbage på en fotografisk film og efterlader dermed et billede af atomstrukturen. Selvom det måske kan lyde let, er det en yderst kompliceret metode, som ofte kræver flere års målinger, analyse og andet arbejde.

»Det er en rigtig sej metode, som der kun er få i verden som mestrer - særligt når det gælder membranproteiner.«

»Men ved hjælp af denne her metode kan de altså give et rigtig godt billede af, hvordan atomerne i natriumkalium-pumpen er sat sammen,« forklarer Claus Juul Løland fra Københavns Universitet.

Fotografi af ny tilstand

Claus Juul Løland påpeger dog, at det tre gange tidligere er lykkedes forskere at få taget røntgenkrystallografiske billeder af natriumkalium-pumpen. Her har pumpen dog været i andre positioner end i den nye undersøgelse.

Figuren viser tre forskellige illustrationer af natriumkalium-pumpen. Pumpen er placeret i en cellemembran, hvor cellens ydre er øverst og det indre er nederst. De to figurer til venstre viser pumpens struktur i den natrium-bundne tilstand, mens figuren til højre viser pumpen i den kaliumbundne tilstand. De forskellige farver i figurerne til højre angiver forskellige, bevægelige dele af pumpen. Den omtrentlige position af tre natriumioner er angivet med små, gule kugler i figuren i midten, mens man kan se to kaliumioner som mørkelilla kugler i figuren til højre. Man ser tydeligt ændringer i strukturen. Strukturerne svarer til to centrale trin i Natriumkalium-pumpens cyklus, som for hver runde pumper tre natrium-ioner ud og to kalium-ioner ind i cellen. (Figur: Aarhus Universitet)

»Man kan sammenligne det med at kigge på et billede af en dør. Hvis ikke vi vidste, hvad en dør var for noget, ville vi have svært at bedømme dens funktion ud fra ét enkelt billede af en lukket dør.«

»Man kan sige det sådan, at før havde vi et billede af en lukket dør og et billede af en låst dør. Men med den nye undersøgelse har vi også fået et billede af den åbne dør, for natriumkalium-pumpen er i en meget anderledes tilstand i det nye billede. Det giver os altså et nyt indblik i pumpens funktion.«

»Men vi mangler  stadig en del mellemliggende strukturer, før vi har klarlagt hele pumpens cyklus,« siger Claus Juul Løland.

Sætter strøm til kroppens celler

Den aarhusianske forskergruppe har da heller ikke kun brugt røntgenkrystallografiske billeder til at beskrive detaljerne i natriumkalium-pumpens opbygning og atomstruktur.

Forskerne har nemlig sammenholdt deres røntgenbilleder med blandt andet biokemiske og elektrofysioloske målinger af pumpen.

Det er muligt at lave elektrofysiologiske målinger, fordi natriumkalium-pumpen i virkeligheden fungerer som en slags generator, der sætter elektrisk strøm på cellerne. Strømmen er blandt andet vigtig for vores nerveceller, fordi de sender beskeder til hinanden ved hjælp af elektriske impulser.

»Vi kan måle på de strømme, som natriumkalium-pumpen genererer. Natrium og kalium er positivt ladede ioner, og da pumpen fører tre natriumioner ud og to kaliumioner ind i cellen for hver cyklus, bliver der skabt en strøm over cellemembranen.«

I Aarhus forsøger forskerne at løfte arven fra den danske nobelprisvinder Jens Christian Skou, som opdagede natriumkalium-pumpen. I en ny undersøgelse har professor Poul Nissen (billedet) og en række andre forskere fået kortlagt, hvordan pumpen ser ud i sin natriumbundne tilstand. Allerede i 2007 lykkedes det Aarhusforskere at beskrive strukturen af den kaliumbundne form af pumpen. (Foto: Lars Kruse, AU Foto)

»Det er den strøm, som vi kan måle på, akkurat ligesom vi kan måle strømmen i ledninger. I ledninger er der bare tale om en negativt ladet strøm, som består af elektroner,« forklarer Poul Nissen fra Aarhus Universitet.

Hvad kan vi bruge undersøgelsen til?

Men hvorfor er det overhovedet nødvendigt at få alle de detaljer om natriumkalium-pumpens opbygning?

Poul Nissens forklaring lyder sådan her:

»Det her kan for det første bruges til at få en grundlæggende forståelse af, hvordan et helt fundamentalt stykke arbejde i cellen foregår. Det er med til at fortælle os, hvordan biologisk liv fungerer,« siger professor Poul Nissen fra Aarhus Universitet.

Han tilføjer, at hvis pumpen er defekt i vores hjerneceller kan det give svære neurologiske sygdomme, som migræne, spastiske muskelkramper eller halvsidig lammelse. Mutationer af natrium-kaliumpumpen i binyrerne har også vist sig at være forbundet med forhøjet blodtryk hos mange mennesker.

»Derfor er det vigtigt at få viden om pumpen, for det giver os en forståelse af de sygdomsmekanismer, der er forbundet med fejl i pumpen. Det er også vigtigt i forhold til at få nye ideer til udvikling afe nye lægemidler, som er rettet mod natroiumkalium-pumpen,« forklarer Poul Nissen.

Den nye undersøgelse er resultatet af et tværfagligt samarbejde mellem tre forskellige forskningsgrupper fra Aarhus Universitet. Herudover har aarhusianerne samarbejdet med svenske forskere om at inddrage en computersimulation i studiet af natriumkalium-pumpen.

 

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud