Ионная избирательность лиганд-активируемых ионных каналов
Одной из характерных черт строения ионных каналов является то, что их внемембранные части значительно выдаются над поверхностью мембраны. Unwin отмечает, что в катионных каналах стенки выступающего вестибюля канала имеют избыточный отрицательный заряд, тогда как анионные каналы в этих местах заряжены избыточно положительно. Так как открытый канал имеет около 2 нм в диаметре, а эффективный радиус электростатического взаимодействия в физиологических растворах составляет около 1 нм, положительный заряд в вестибюле канала может способствовать аккумуляции в нем отрицательных ионов, например, хлоридов в устье глицинового рецептора. Наоборот, в катионном канале в отрицательно заряженном вестибюле могут накапливаться положительно заряженные натрий и кальций. Аккумуляция ионов в вестибюле может способствовать процессу отбора анионным каналом анионов, а катионным каналом – катионов. Надо учесть также, что аккумуляция ионов будет способствовать увеличению проводимости каналов (напомним, что проводимость канала зависит от концентрации ионов).
Потенциал-активируемые каналы
К каналам, специфически активируемым деполяризацией клеточной мембраны, относятся потенциал-активируемые натриевые каналы, отвечающие за фазу деполяризации потенциала действия, и потенциал-активируемые калиевые каналы, ассоциированные, с мембранной реполяризацией. В эту группу также входят потенциал-активируемые кальциевые каналы, которые в некоторых тканях отвечают за генерацию потенциала действия и поддержание длительной деполяризации, а также выполняют много других функций, таких как мышечное сокращение и освобождение нейротрансмиттеров. Каждое из этих трех семейств каналов имеет ряд изоформ, представленных у различных биологических видов и в разных частях нервной системы. Подобно АХР и его аналогам, они также составляют суперсемейство единого генетического происхождения.
Потенциал-активируемые натриевые каналы
Методы, которые были использованы для характеристики молекулярной структуры АХР, были также успешно применены к потенциал-активируемым каналам. Ключевыми шагами в этом процессе были биохимическая экстракция и изоляция протеина с последующим выделением клонов кДНК и расшифровкой аминокислотной последовательности. Также как в случае АХР, электрические рыбы – на этот раз угорь Electrophorus electricus – явились богатым источником канального белка, а высокоаффинные токсины, такие как тетродотоксин (ТТХ) и сакситоксин (STX), обеспечили процесс изоляции протеина. Оба этих токсина блокируют ионную проводимость нативных каналов, закупоривая пору открытого канала. Позже натриевые каналы были изолированы из мозга и скелетной мышцы. Натриевый канал, выделенный из электрического угря, состоит из одного крупного (260 кД) пептида и является типичным представителем семейства структурно сходных протеинов.
В мозге млекопитающих ключевая 260 кД – субъединица натриевого канала ассоциирована с двумя дополнительными субъединицами: (36 кД) и (33 кД). Показано, что присутствие субъединицы значительно повышает скорость инактивации натриевого канала. В мозге было найдено несколько различных вариантов мРНК, кодирующих субъединицу, что объясняет наличие разных подтипов натриевого канала. По крайней мере два дополнительных изоформы натриевого канала выделены из скелетной мышце млекопитающих – одна из взрослой мышцы (RSkMl), и другая, характерная для эмбриональной или денервированной мышцы (RSkM). Третья изоформа этого канала обнаружена в сердечной мышцемлекопитающих). После трансляции происходит интенсивное гликозилирование канального белка. Так, около 30% массы натриевого канала угря составляют углеводы, содержащие большие количества сиаловой кислоты.
Аминокислотная последовательность и третичная структура натриевого канала
Натриевый ионный канал угря представляет собой пептид с последовательностью из 1832 аминокислот, в котором выделяют четыре следующих другом за другом домена (I–IV), каждый из которых содержит от 300 до 400 остатков. Эти домены имеют примерно 50%-ную гомологию аминокислотных последовательностей. Каждый домен является структурным эквивалентом одной субъединицы канальных белков семейства АХР. Однако в отличие от АХР все домены натриевого канала соединены вместе в единый белок. В пределах каждого домена есть множественные гидрофобные или смешанные гидрофобно / гидрофильные (амфотерные) последовательности, обеспечивающие формирование трансмембранных сегментов.
Согласно общепринятой модели топологии канала каждый домен имеет шесть таких трансмембранных сегментов (S1-S6). Так же как в случае АХР, домены натриевого канала располагаются кольцом вокруг поры ионного канала. Особенно интересен сегмент S4, который имеется во всех четырех доменах и несет положительно заряженный аргининовый или лизиновый остаток в каждой третьей позиции трансмембранного сегмента. Предполагается, что это свойство обеспечивает чувствительность канала к электрическому полю и оно имеется у всех потенциал-активируемых ионных каналов.
Потенциал-активируемые кальциевые каналы
Семейство потенциал-активируемых кальциевых каналов содержит несколько подтипов, которые были классифицированы по их функциональным свойствам, таким как чувствительность к деполяризации мембраны и продолжительность открытого состояния. Изоформы кальциевых ионных каналов были клонированы из скелетной, сердечной и гладкой мышцы, а также из мозга. Аминокислотная последовательность первичной канал-формирующей субъединицы) подобна аналогичной субъединице потенциал-активируемого натриевого канала). В частности, трансмембранные сегменты S1-S6 гомологичны таковым натриевого канала. На основании этого предполагается, что кальциевый и натриевый каналы имеют одинаковую третичную структуру (рис. 3.6В).
Хотя для формирования функционирующего кальциевого канала в чужеродных клетках достаточно только субъединицы, в нативных клеточных мембранах найдены три дополнительные субъединицы: димер с внеклеточным пептидом, связанным с трансмембранным пептидом дисульфидной связью; внутриклеточный примембранный белок, и интегральный белок с четырьмя трансмембранными доменами. Коэкспрессия различных комбинаций субъединиц позволила предположить, что субъединицы влияют как на проводимость канала, так и на его кинетику.
Потенциал-активируемые калиевые каналы
Потенциал-чувствительные калиевые каналы играют важную роль в процессах возбудимости и проводимости. Целый ряд разных генов кодирует разнообразные типы калиевых каналов. Первый калиевый канал, у которого была установлена аминокислотная последовательность, был выделен у Drosophila. Он был назван Shaker по генетическому мутанту, у которого был обнаружен дефект этого канала. Особенность этих мутантных мушек заключалась в том, что они трепетали (shaking), когда для их подсчета их анестезировали эфиром. Столь легко распознаваемая мутация обеспечила удобный методический подход для клонирования этого калиевого канала, не требующий обязательной идентификации белка. Генетический анализ позволил установить область примерного расположения гена Shaker в геноме Drosophila. Последующее сопоставление нормальной и мутантной последовательностей в этой области привело к идентификации гена shaker.
Неожиданным было то, что аминокислотная последовательность полученного белка оказалось намного короче таковой у потенциал-активируемого натриевого или кальциевого канала. Пептид калиевого канала содержалтолько один домен, подобный IV домену натриевого канала угря. Экспериментальные данные указывают на то, что в мембране отдельные субъединицы калиевого канала объединяются, формируя мультимерные ионные каналы46). У Drosophila были клонированы четыре отдельных подсемейства калиевых каналов (названные Shaker, Shab, Shaw, Shal). У млекопитающих найдены аналоги для всех этих типов, Shaker2 и т.д.). Изоформы одного и того же подсемейства после экспрессии способны формировать гетеромультимерные каналы, тогда как изоформы, принадлежащие разным подсемействам, такой способностью не обладают.
Подобно натриевому и кальциевому каналам, потенциал-активируемые калиевые каналы обычно экспрессируются вместе с дополнительными субъединицами.
Сколько субъединиц в калиевом канале?
Сравнение структуры калиевого канала со строением родственных натриевого и кальциевого каналов позволило высказать предположение, что полноценный калиевый канал представлен ансамблем четырех субъединиц (тетрамером). Для изучения этого вопроса были проведены эффектные эксперименты с блокатором калиевого канала charybdotoxin (СГХ) в сочетании с использованием мутантов, резистентных к данному токсину. Субъединицы нативного и мутантного типов калиевого канала Drosophila были экспрессированы в ооцит в разных пропорциях. При использовании только нативных субъединиц калиевого канала, формирующих гомомультимерные каналы, калиевые токи в мембране ооцита полностью блокировались высокими концентрациями СТХ. Мутантные каналы при этом практически не блокировалисьТоки в ооцитах, инъецированных как мутантной, так и нативной мРНК, блокировались лишь частично.
Для трактовки этих экспериментов ключевое значение имел тот факт, что связывание СТХ даже одной субъединицей канала уже достаточно для блокирования всего канального комплекса и прекращения тока. Следовательно, в ооцитах, инъецированных смесью нативного и мутантного типов, незатронутыми токсином останутся только гомомультимерные каналы, образованные исключительно мутантными субъединицами. Фракция таких каналов, сформированных случайной ассоциацией субъединиц нативного и мутантного типов, может быть подсчитана по соотношению количества инъецированной мРНК для мутантного и нативного типов канала. Например, если канал состоит из четырех субъединиц и 90% РНК является мутантной, то вероятность формирования каналов, состоящих только из мутантных субъединиц, составит ([0,9]), или 66%. Оставшиеся 34% каналов будут иметь по меньшей мере одну субъединицу нативного типа и будут подвержены блокирующему действию токсина. Аналогичный подсчет предсказывает, что блокирующий эффект СТХ должен составить 27% для каналов-тримеров (каналов, состоящих из 3 субъединиц) и 41% для пентамеров (5 субъединиц). Поскольку в указанных экспериментах наблюдалось блокирование каналов на 34%, удивительно совпадающее с предсказанием, было сделано заключение о тетрамерной структуре калиевых каналов.
Строение поры потенциал-активируемых каналов
Общим признаком аминокислотных последовательностей всех потенциал-активируемых каналов является умеренно гидрофобный участок во внеклеточной петле между S5 и S6 сегментами Так же как в экспериментах, описанных ранее для М2 участка АХР, мутации в этом участке калиевого канала Shaker снижали сродство канала для блокирующего действия тетраэтиламмония (TEA) и изменяли проводимость канала. Было сделано заключение, что этот участок погружен вглубь канала и принимает участие в формирования ионной поры). Этот вывод подтверждался также данными рентгеновской дифракции канала. Петля S5-S6 формирует короткую спираль, которая погружена в центр канала; аминокислоты, восходящие от нижнего конца спирали, образуют верхнюю часть ионной поры. Мутации в области поры существенно затрагивают ионную избирательность потенциал-активируемых ионных каналов. Например, в натриевых каналах мозга крысы замена в области поры в третьем домене положительно заряженного глутамата на отрицательно заряженный лизин приводит к появлению характеристик, свойственных кальциевым каналам. Вместо селективной проницаемости для натрия мутантный канал имеет низкую избирательность для моновалентных катионов. Кроме того, при физиологических концентрациях ионов, большая часть тока через такой канал обеспечивается кальцием.
Анализ структуры калиевого канала с высоким разрешением
Структура калиевых каналов Streptomyces lividans (KCSA каналы) была изучена рентгеновской кристаллографией с разрешением 3,2А). Бактериальные каналы относятся к классу калиевых каналов, субъединицы которых вместо шести трансмембранных доменов имеют только два. Другим примером такого двухдоменного белка является калиевый канал внутреннего выпрямления, который будет обсуждаться позже. Два сегмента калиевого канала являются структурными эквивалентами сегментов S5 и S6 в потенциал-активируемых каналах. Несмотря на разное число трансмембранных сегментов, аминокислотная последовательность в пору-формирующей петле S5-S6 удивительно консервативна у всех калиевых каналов). Преимуществом исследования бактериального калиевого канала является то, что он может быть продуцирован в больших количествах, достаточных для кристаллизации, что делает возможным проведение рентгеновской дифракции.
KCSA канал является тетрамером представляет канал в разрезе и показывает большую часть его структурных деталей. Рядом с NH2-концом каждой субъединицы имеется наружная спираль, которая пронизывает мембрану от цитоплазматической стороны до наружной поверхности. За наружной спиралью следует короткая спираль, направленная в пору. Затем располагается внутренняя спираль, которая возвращается к цитоплазматической стороне. Соединяющие петли между наружной и короткой спиралями образуют четыре возвышения, окружающие наружное отверстие поры и содержащие связывающие сайты для TEA и других блокирующих канал токсинов В каждой субъединице петля между центральным концом короткой спирали и внутренней спиралью формирует структуру ионной поры. Четыре такие петли, объединяясь, образуют узкий проход, ответственный за ионную избирательность канала – селективный фильтр. Относительно большая центральная полость и нижняя внутренняя пора соединяют селективный фильтр с цитоплазмой.
Избирательность для калия достигается как размером, так и молекулярным строением селективного фильтра. Диаметр фильтра составляет около 0,3 нм и аминокислоты в его стенке ориентированы таким образом, что последовательные кольца, образованные четырьмя карбоксильными группами (по одной от каждой субъединицы), обращены внутрь поры. Диаметр поры достаточен для прохождения дегидратированного иона калия (диаметром около 0,27 нм). Следует заметить, что дегидратация проникающего иона могла бы потребовать значительной энергии. Однако этот фактор минимизируется за счет кислорода стенки канала, который заменяет атомы кислорода воды в гидратированной молекуле. Ионы меньшего размера, такие как натрий (диаметр 0,19 нм) или литий (диаметр 0,12 нм), не способны проникнуть через калиевый канал, поскольку они не могут сформировать достаточно плотный контакт одновременно со всеми четырьмя кислородами, поэтому они остаются гидратированными. Ионы большего размера, такие как цезий (диаметр 0,33 нм), не могут проникнуть через пору из–за своих размеров. Эти структурные основы ионной избирательности вполне согласуются с традиционными воззрениями на ионную проницаемость каналов.
Метод рентгеновской дифракции сможет обеспечить новыми данными о пока еще малоизученных структурных изменениях, происходящих при открытии ворот калиевого канала. Например, загадкой является локализация ворот, поскольку в калиевых каналах Shaker приложенные с цитоплазматической стороны вещества имеют при открытом канале свободный доступ вглубь поры, хотя тогда, когда каналы закрыты, они могут проникать внутрь канала только на очень короткую дистанцию. Следовательно, ворота должны находиться совсем рядом со входом, с цитоплазматической стороны ионной поры.
Литература
Малиновский А.А. Тектология. Теория систем. Теоретическая биология.
Человеческий потенциал: опыт комплексного подхода. Ред. Фролов И.Т.
Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа.
Фролов М.В., Милованова Г.Б. Электрофизиологические помехи и контроль состояния оператора.
Системные аспекты психической деятельности. Под ред. Судакова К.В. и др.