В начале 1980-х годов ученые наблюдали интересную аномалию. Внедренные в клеточные мембраны, они обнаружили ионные каналы с необычайно высокой проводимостью. Эти так называемые каналы «BK» (Большой К или Большой Калий) имели примерно в десять раз более высокую унитарную проводимость (т. е. проводимость на отдельную молекулу канала), чем другие калиевые каналы, что позволяло гораздо более эффективно и быстро транспортировать ионы калия. И хотя более поздняя структурная характеристика объяснила, как это произошло, никто не мог понять, почему. То есть до сих пор.
Новое исследование Окинавского института науки и технологий (OIST), опубликованное в журнале Communication Biology, пролило свет на эволюционное происхождение этих мощных калиевых проводников. С помощью молекулярного моделирования и эволюционного моделирования исследователи изучили проводимость канала BK нейронов у разных видов и выявили ее влияние на время всплесков, определив это как вероятное эволюционное давление на развитие канала.
Профессор Эрик Де Шуттер, руководитель отдела вычислительной нейронауки OIST и автор исследования, комментирует: «Каналы BK широко присутствуют в различных нейронах и, как известно, играют важную роль в регулировании активации клеток — процесса, в котором электрические сигналы (спайки) координируют связь между клетками мозга. Несмотря на их важность, никто на самом деле не знал, почему мы разработали эти чрезвычайно высокие каналы проводимости. Наша работа дает возможный ответ на эту давнюю загадку».
Важность каналов БК
Выполнение даже самых простых задач, таких как чтение этого предложения, зависит от сложной смеси нейронов. Различные клетки и области мозга участвуют в различных задачах хранения и обработки данных, и вся система зависит от тщательной межклеточной коммуникации.
Электрические сигналы отвечают за координацию этой связи, вызывая высвобождение химических нейротрансмиттеров. Эти электрические сигналы генерируются изменениями заряда клеточной мембраны из-за движения положительно заряженных ионов, которые движутся через специальные ионные каналы.
Несмотря на то, что существует множество ионных каналов, BK-каналы особенно интересны для нейробиологов из-за их высокой проводимости — показателя, который показывает, насколько легко ионы могут проходить через канал. Во всех сферах животного мира каналы BK демонстрируют значительно более высокую унитарную проводимость, чем другие типы каналов ионов калия, иногда в 10-20 раз больше.
«Однако проводимость каналов не является универсальной для разных видов», — добавляет Де Шуттер. «У млекопитающих и птиц он чрезвычайно высок по сравнению с беспозвоночными. Мы хотели понять, почему».
Чтобы изучить эти различия, Де Шуттер и члены его лаборатории заручились помощью биологов-эволюционистов профессора Томаса Бургиньона и доктора Саймона Хеллеманса из отдела эволюционной геномики OIST. Используя геномные данные и литературные отчеты, они нанесли на карту каналы BK и их проводимость у разных видов, определив четкую тенденцию. Чем ближе на дереве к млекопитающим, тем выше была проводимость BK.
Сопоставляя унитарную проводимость BK с эволюцией животных, млекопитающие демонстрируют самую высокую проводимость, а моллюски — одни из самых низких значений.
© Томас Бургиньон
ШАГИ вперед
Используя программу молекулярного моделирования под названием STEPS, команда затем смоделировала отдельные ионные каналы.
«ВК-каналы активируются кальцием, связывая четыре иона кальция для полного открытия», — объясняет Де Шуттер. «Используя нашу программу STEPS, мы могли моделировать BK-каналы с разными уровнями проводимости, принимая во внимание также концентрацию кальция».
Их модели показали, что удаление кальция является ключевым фактором, ограничивающим активацию BK-канала. У видов с более низкой унитарной проводимостью BK необходимо было активировать гораздо больше каналов, чтобы достичь той же общей скорости проводимости. Но для активации требуется кальций, и поскольку ионы кальция стали связываться с каждым каналом, количество доступного свободного кальция упало, что фактически вызвало конкуренцию между каналами. Это не было проблемой для каналов с более высокой унитарной проводимостью, обнаруженных у млекопитающих и птиц.
Когда ионы кальция связываются с каналом BK, он активируется и открывается, позволяя ионам калия проходить через мембрану. Он играет важную роль в реполяризации, восстанавливая баланс заряженных ионов для поддержки быстрой и точной передачи сигналов в клетках мозга.
© Хепберн и др., Comms. биол., 2026, 10.1038/с42003-026-11127-6
Затем команда использовала другую модель, чтобы изучить влияние проводимости на время импульсов — точные моменты, когда нейроны производят электрические импульсы. Такие всплески необходимы для многих продвинутых функций мозга, таких как контроль моторики, сохранение памяти или обработка сенсорной информации. При более низкой унитарной проводимости BK время всплеска было более изменчивым.
«Мы подозреваем, что время всплесков может быть решающим эволюционным фактором, способствующим увеличению проводимости между каналами у млекопитающих по сравнению с беспозвоночными», — объясняет Де Шуттер. «Поскольку у этих животных развились более сложные двигательные функции, точное время импульсов с точностью до миллисекунды стало необходимым для выполнения широкого спектра задач».
Как и все вычислительные модели, исследование имеет ограничения. Модели представляют собой упрощенные теоретические аппроксимации клеток, фокусируясь только на одном типе нейронов — клетках Пуркинье. Тем не менее, исследователи надеются, что исследование может послужить вдохновением для дальнейшего изучения этих каналов.
«ВК-каналы широко распространены в разных типах клеток, а также участвуют в других функциях, таких как сокращение мышц», — говорит Де Шуттер. «Я надеюсь, что наше исследование предоставит информацию, полезную не только для нейробиологов, но и для других клеточных и эволюционных биологов».
