Ионные каналы. Разнообразие субъединиц

Современными методами биохимии, молекулярной и клеточной биологии, электронной микроскопии, электронной и рентгеновской дифракции получена детальная информация о молекулярной организации и структуре каналов и рецепторов. Каналы образованы четырьмя или более субъединицами или доменами, собранными в определенном порядке вокруг центральной поры. Каждая субъединица или домен включает, в свою очередь, от двух до шести трансмембранных участков, объединенных вне- и внутриклеточными петлями. Ансамбль, состоящий из субъединиц, составляет структуру, достаточную, чтобы на адекватный сигнал образовать пору, пропускающую ионы. Каналы, являющиеся относительно избирательными, такие как потенциалзависимые каналы, обычно представляют собой тетрамеры; более крупные и менее избирательные лигандактивируемые каналы являются пентамерами. Как продолжение этого принципа наиболее крупные каналы – щелевые контакты – имеют гексамерную структуру. Для некоторых каналов до сих пор остается неясной функциональное предназначение ряда трансмембранных участков субъединиц. Однако имеется несколько примеров, в которых функция отдельных участков достаточно твердо установлена. Например, четко доказано, что М2 участок субъединиц суперсемейства АХР формирует стенку ионной поры и воротный механизм. Рентгеновская дифракция выявила структурную основу ионной избирательности калиевых каналов. Этот результат может быть экстраполирован на другие каналы, имеющие подобные первичные последовательности, такие как потенциалзависимые каналы, каналы внутреннего выпрямления, каналы, активируемые циклическими нуклеотидами, и каналы, активируемые АТФ. Внемембранные петли, соединяющие трансмембранные участки, обеспечивают ряд специфических функций, наиболее важной из которых является формирование центров связывания внутриклеточных и внеклеточных лигандов, регулирующих функции канала. Кроме того, накопление ионов во внемембранных устьях канала помогает регулировать ионную избирательность и повышает проводимость канала. Многие детали молекулярного устройства каналов остаются невыясненными, но, вооруженные современными техническими возможностями, мы можем надеяться на быстрый прогресс наших знаний о молекулярной основе функционирования нервной системы

Потенциал-активируемые хлорные каналы

Впервые потенциал-активируемые хлорные каналы были клонированы из электрического органа Torpedo. Известные как CLC-0 каналы, они с высокой плотностью экспрессированы в неиннервированной части клеток этого органа, предоставляя собой низкоомный путь распространения токов, генерируемых в иннервированной области клетки. Ген, кодирующий CLC-0, обнаружен также в мозге млекопитающих и относится к большому семейству, которое включает, по меньшей мере, восемь других гомологичных генов. CLC-1 хлорные каналы, найденные в скелетной мышце млекопитающих, вносят ведущую роль в проводимость мембраны мышечных волокон. В частности, они стабилизируют заряд мембраны на уровне потенциала покоя. CLC-2 каналы ассоциированы с регуляцией объема клетки и обладают чувствительностью к растяжению мембраны. Две другие изоформы хлорных каналов, CLC-K1 и CLC-K2, отвечают за реабсорбцию хлорида в почках.

До сих пор остаются некоторые неясности в трансмембранной топологии хлорных каналов CLC, что в значительной мере зависит от различной трактовки гидропатического анализа аминокислотной последовательности белка канала. CLC каналы состоят из 13 гидрофобных доменов, 11 из которых с высокой вероятностью расположены внутри мембраны. Особенностью этих хлорных каналов является наличие протяженного гидрофобного участка D9-D10, конфигурация которого в мембране пока неизвестна. Экспериментальные данные позволяют предположить, что CLC-0 функционирует в мембране как димер, необычным свойством которого является то, что каждая субъединица формирует в мембране свой собственный независимый канал.

Калиевые каналы внутреннего выпрямления

Калиевые каналы внутреннего выпрямления (Kir каналы) обеспечивают движение ионов калия в клетку тогда, когда мембранный потенциал отрицателен по отношению к равновесному потенциалу калия, хотя они практически не поддерживают движения калия наружу клетки. Имеется по крайней мере пять подсемейств канала Kirl-КiГ5, обнаруженных в мозге, сердце и почках. Одно семейство, Кir3, формирует каналы, активируемые внутриклеточными G-белками. Эти каналы могут быть заблокированы внутриклеточным магнием и / или внутриклеточными полиаминами. Предполагаемая структура субъединиц Kir подобна таковой у канала KCSA с двумя трансмембранными доменами. Магний-связывающий сайт, блокирующий активность Kir каналов, располагается предположительно на М2 домене в области цитоплазматического конца канала.

АТФ-активируемые каналы

Аденозин-5'-трифосфат (АТФ) выполняет функцию нейротрансмиттера в гладкомышечных клетках, в клетках автономных ганглиев и в нейронах центральной нервнойсистемы. Так как АТФ является пурином, его рецепторные молекулы известны как пуринергические рецепторы. Один из них Р2Х рецептор, лиганд-активируемый катионный канал. Клонировано семь субъединиц Р2Х рецептора (Р2Х1-Р2Х7). Их предполагаемая третичная структура с двумя трансмембранными участками подобна таковой у субъединиц канала KCSA.

Глутаматные рецепторы

Глутамат является наиболее важным и наиболее распространенным возбуждающим нейротрансмиттером центральной нервной системы, активирующим, по меньшей мере, три типа катионных каналов. Все три типа рецепторно-канальных комплексов обладают различными функциональными свойствами и отличаются друг от друга по чувствительности к разным аналогам глутамата. Один из рецепторов, называемый NMDA-рецептор, избирательно отвечает на N-methyl-D-aspartate (NMDA). Два других рецептора активируются соответственно АМРА (amino3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) или каинатом. Благодаря избирательности, три этих агониста (NMDA, АМРА, каинат) являются важными экспериментальными инструментами для селективной активации соответствующего типа глутаматного рецептора. При этом следует помнить, что естественным трансмиттером для всех трех типов рецепторов является только глутамат, но не его аналоги.

Молекулярное клонирование позволило идентифицировать кДНК для 16 субъединиц глутаматного рецептора. Пять из этих субъединиц, названные NR1 и NR2, могут принимать участие в формировании NMDA-рецептора. АМРА-рецепторы сформированы другими типами субъединиц, обозначаемых как GluRA-GluRD (или GluRl-GluR4). Каинатные рецепторы собраны из субъединиц КА1 и / или КА2 в комбинации с GIuR5, 6 или 7. По аналогии с никотиновым АХР считается, что глутаматные каналы являются также пентамерами, хотя на этом подобие между ними заканчивается Аминокислотная последовательность субъединиц глутаматного рецептора примерно вдвое длиннее таковой суперсемейства, включающего АХР, 5-НТ3, ГАМК и глициновые рецепторы. Кроме того, между двумя этими суперсемействами практически нет гомологии.

Поскольку субъединицы глутаматного рецептора имеют четыре трансмембранных сегмента, поначалу считали, что они располагаются в мембране так же, как у АХР. Однако последние данные позволяют представить строение глутаматных каналов. Согласно этому представлению, второй сегмент вступает в мембрану с цитоплазматической стороны, образуя петлю-шпильку, выстилающую пору. Эта уникальная для глутаматного рецептора конфигурация подтверждается и данными мутагенеза данной петли ионного канала.

Каналы, активируемые циклическими нуклеотидами

Рецепторы сетчатки и обонятельного эпителия активируются внутриклеточным циклическим АМФ или циклическим ГМФ. Рецепторы формируют ионные каналы, с различной избирательностью для калия, натрия или кальция. Аминокислотная последовательность субъединиц нуклетид-активируемых ионных каналов имеет некоторую гомологию с субъединицами потенциал-чувствительных каналов. Предполагаемая структура каналов включает шесть трансмембранных участков, что хорошо согласуется с гидропатическими индексами этих белков. Участок S4 представлен регулярно повторяющимися заряженными остатками, хотя число их ниже, чем у потенциал-чувствительных каналов. В соответствии с активацией внутриклеточными лигандами, большая часть массы белка канала находится на цитоплазматической стороне мембраны. Наиболее вероятной формой объединения субъединиц является тетрамер.

Разнообразие субъединиц

Характерной особенностью ионных каналов является широкое разнообразие изоформ субъединиц. Существует больше дюжины вариантов субъединиц никотинового АХР и еше большее число субъединиц калиевого канала и глутаматного рецептора. Как возникает такое разнообразие? В основе этого лежит прежде всего то, что каждый канал или субъединица канала кодированы отдельным геном. Кроме того, установлены два других механизма, приводящих к появлению субъединиц с различающими свойствами.

Во-первых, это альтернативный сплайсинг. Большинство белков кодированы в различных сегментах ДНК, так называемых экзонах. В некоторых случаях экзоны вместо комбинации в единственный вариант мРНК, контролирующий синтез специфической субъединицы, образуют различные альтернативные комбинации, что приводит к созданию мРНК для множественных изоформ субъединиц. Во время транскрипции неизвестный регулирующий механизм определяет, какая из альтернативных мРНК будет использована для синтезабелка. Остаток исключается из транскрипта и оставшиеся сегменты РНК соединяются, формируя конечную мРНК. Например, именно таким путем образуются изоформы калиевого канала типа Shaker.

Второй способ достижения разнообразия субъединиц – редактирование РНК. Примером являются субъединицы глутаматных рецепторов GluRB, GluR5 и GluR6. Эти субъединицы в середине второго трансмембранного сегмента содержат либо глютаминовый, либо аргининовый остаток. Присутствие аргинина устраняет кальциевую проницаемость ионного канала и уменьшает его проводимость. Таким образом, хотя ДНК всех трех субъединиц для этого сайта содержит глютаминовый кодон (CAG), на уровне мРНК, в соответствующем участке может появиться кодон для аргинина (CGG). Это изменение в базовой последовательности нуклеиновых кислот достигается редактированием РНК в ядре клетки. Таким образом, например, редактируется процесс синтеза GluRB и отчасти синтез GluR5 и GluR6. В GluR6 дополнительное редактирование A/G найдено в первом трансмембранном сегменте

Выводы

Семейство потенциал-активируемых кальциевых каналов аналогично по структуре натриевому каналу. Потенциал-активируемые калиевые каналы структурно подобны натриевым и кальциевым каналам, но с важным отличием: у них четыре повторяющихся домена экспрессированы как отдельные субъединицы, а не как повторяющиеся домены одной молекулы. Существует по меньшей мере 20 генов, контролирующих экспрессию субъединиц калиевого канала. Калиевые каналы группируются в четыре отдельных подсемейства. Потенциал-активируемые натриевый, кальциевый и калиевый каналы составляют вместе единое суперсемейство.

Субъединицы других лиганд- и потенциал-активируемых ионных каналов значительно различаются как размерами, так и аминокислотным составом. Некоторые имеют сходство с субъединицами потенциал-активируемых каналов, но большинство заметно отличаются от представителей как потенциал-, так и АХ-активируемых каналов. Некоторые имеют только два или три трансмембранных домена, а другие могут иметь больше 10 таких доменов

Потенциал-активируемый натриевый канал электрического органа угря является одиночной молекулой, состоящей из 1 800 аминокислот. Этот канал имеет четыре крупных повторяющихся домена (I-1V). Домены являются архитектурными эквивалентами субъединиц других каналов; внутри каждого имеется шесть трансмембранных участков (S1-S6), соединенных внутри- и внеклеточными петлями. Натриевый ионный канал угря является прототипом разнообразных изоформ этого канала, представленных в мышцах и мозге

В каждой субъединице АХ рецептора имеется четыре трансмембранных участка (ΜΙ–Μ4), объединенных внутри- и внеклеточными петлями. Показано, что М2 участок белка формирует пору ионного канала

Литература

1. Трубецков Д.И. Введение в синергетику. Т. 1: Колебания и волны; Т. 2: Хаос и структуры.

2. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего.

3. Баранцев Р.Г. Синергетика в современном естествознании.