научная статья по теме ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ NA,К-АТФАЗЫ С МОЛЕКУЛЯРНЫМ ОКРУЖЕНИЕМ Биология

Текст научной статьи на тему «ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ NA,К-АТФАЗЫ С МОЛЕКУЛЯРНЫМ ОКРУЖЕНИЕМ»

БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 5, с. 871-882

= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= =

УДК 577.353.22

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ^,К-АТФазы С МОЛЕКУЛЯРНЫМ ОКРУЖЕНИЕМ

© 2014 г. И.И. Кривой

Санкт-Петербургский государственный университет, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9

E-mail: iikrivoi@gmail.com Поступила в p едакцию 01.07.14 г.

Обзор посвящен анализу pезультатов исследований в области межмолекулярных взаимодействий ^,К-АТФазы, лежащих в основе новых клеточных механизмов регуляции. Рассмотрена способность ^,К-АТФазы образовывать мультимолекулярные регуляторные комплексы и участвовать в качестве скаффолда в формировании функциональных и сигнальных микро-компартментов клетки; особое внимание уделено липидным микродоменам мембраны (р афты, кавеолы). Обсуждаются механизмы сигнальной и нейропротекторной функций ^,К-АТФазы и роль эндогенных кардиотонических стероидов в их реализации. П редставлены новые данные о функциональных взаимодействиях ^,К-АТФазы с рецепторами нейромедиаторов и другими белками, вовлеченными в р егуляцию синаптической передачи.

Ключевые слова: NaK-А ТФаза, изоформы, липидные микродомены, кардиотонические стероиды, сигнальная и нейропротекторная функция, синаптическая передача.

Новейшие данные о том, что функциональные белки невозможно рассматр ивать в изоляции, без учета их локализации в клетке и осо -бенностей молекулярного окружения (белки, липиды и др.), лежат в основе открытия новых физиологических механизмов, базирующихся на межмолекулярных взаимодействиях. Эти фундаментальные открытия последних лет создают для исследователей новую реально сть, которая приводит к пересмотру многих традиционных представлений. Растет число данных, демонстрирующих, что белки могут выполнять функции и участвовать в таких процессах, которые недавно казались им несвойственными. Разработки в этой области относятся к новейшим направлениям молекулярной физиологии. Именно на понимании этих новых молекулярных механизмов основаны современные стр атегии поиска путей коррекции различных патологических состояний и перспективных лекарственных средств. В данном обзоре пр огресс исследований в этой области показан на примере важнейшего транспортного белка клетки - Ка,К-АТФазы.

Сокращения: КТС - кардиотонические стероиды, нХР -никотиновый холинорецептор.

I. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ И МОЛЕКУЛЯРНОЕ РАЗНООБРАЗИЕ Ка,К-АТФазы

Ка,К-АТФаза, открытая доктором I. Бкои [1], является интегр альным белком плазматической мембраны и обнаружена практически во всех животных клетках. Основная функция этой фер ментной системы заключается в поддержании трансмембранных градиентов Ка+ и К+ за счет их активного АТФ-зависимого транспорта. Благодаря этому Ка,К-АТФаза является основой поддержания мембранного потенциала, электрической возбудимости, а также функционирования Ка+-зависимых транспортных систем. Таким образом, Ка,К-АТФаза является важнейшим белком, жизненно необходимым для нормального функционирования отдельных клеток и организма в целом [2-13].

Ка,К-АТФаза представляет собой димер, состоящий из а- и в-субъединиц, в некоторых тканях включает также белок семейства БХУБ. Субъединица а представляет собой интегральный белок, имеющий 10 трансмембранных доменов. Эта субъединица ответственна за каталитические и транспортные свойства Ка,К-АТФазы, содержит места связывания с АТФ, ионами Ка+ и К+. Важной особенностью а-субъ-единицы Ка,К-ЛТФазы является то, что внеклеточные участки этой субъединицы формируют сайт связывания (рецептор) для специфических лигандов Ка,К-АТФазы - сердечных

гликозидов, широко применяемых в клинике сердечно-сосудистых заболеваний. Все эти вещества являются ингибиторами Ка,К-АТФазы, имеют сходную стер оидную структуру и в настоящее время их чаще называют кардиотони-ческими стероидами (КТС) [11,13,14].

Субъединица в представляет собой однократно пересекающий мембрану гликопротеин, играющий важную р оль в локализации и стабилизации функционального комплекса ав в плазматической мембране. Белок БХУБ также имеет один трансмембранный домен, но в отличие от в-субъединицы не является компонентом, необходимым для структур но-функционального формирования Ка,К-ЛТФазы, а по ряду данных участвует в модуляции ее активности.

Как и многие другие функциональные белки, Ка,К-АТФаза экспрессируется в различных молекулярных формах. Для млекопитающих известны четыре изоформы а-субъединицы (а1-а4), три изоформы в-субъединицы и семь белков семейства БХУБ; все перечисленные белки кодируются собственными генами. Комбинации различных изоформ а- и в-субъединиц с одним из белков БХУБ обеспечивают исключительно широкое разнообразие свойств Ка,К-АТФазы [3,11].

Изоформа а1 экспрессируется практически во всех животных клетках и в клетках некоторых тканей (эритроциты, почки, печень) эта изоформа является единственной. Клетки большинства других тканей, помимо а1, коэкспр ес-сируют также одну из изоформ а2-а4. Изо-форма а2 преимущественно экспрессируется в скелетных, гладких и сердечной мышцах, а также в глиальных клетках; изоформа а3 преобладает в нейронах; изоформа а4 обнаружена только в семенниках и сперме. Для многих клеток показано, что основную функцию ионного насо са выполняет изофор ма а1, тогда как изоформы а2-а4 вовлечены в выполнение специфических для данной клетки функций [10,15].

II. Ка,К-АТФаза И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МИКРОКОМПАРТМЕНТЫ КЛЕТКИ

В настоящее время достаточно хорошо изучена роль Ка,К-АТФазы в регуляции внутриклеточного Са2+-баланса и сопутствующих клеточных процессов. Показано, что в нейронах, астр оцитах и миоцитах КТС вызывают локальные колебания уровня Са2+ только в особых микрокомпарментах - участках кластеризации Ка,К-АТФазы с Ка,Са-обменником, различны-

ми Са2+-каналами и рецептор ами в местах тесного прилегания плазматической мембраны к сарко(эндо)плазматическому ретикулуму [12,16,17]. В соответствии с этой моделью «РЬа8тЕИ080-те» при ингибировании части Ка,К-АТФазы (ее регулято рных изоформ а2/а3) в этих узких примембранных пространствах с ограниченной диффузией происходит накопление Ка+ и со -пряженное с ним накопление Са2+ в результате уменьшения экструзии последнего Ка,Са-об-менником. Дополнительное увеличение локальной концентрации Са2+ достигается также за счет его входа через потенциал- и депо-зависимые Са 2+-каналы плазматической мембраны. Предполагается, что вызванные КТС медленные Са2+ осцилляции влияют не только на силу сокращений сердечной и гладких мышц, но также через транскрипционные факторы ЛР-1 и КБ-кБ на геном и экспрессию белков, про -лиферацию, дифференцировку и др. [18,19].

В сложной системе регуляции локальной концентрации Са2+ участвуют также БЕИСЛ, рианодиновый и 1Рз-р ецепто ры сарко(эн-до)плазматического ретикулума, фосфолипа-за С. Вызванные связыванием молекулы КТС конформационные изменения а-субъединицы Ка,К-АТФазы чер ез Бгс-киназу приводят к активации фосфолипазы С и образованию 1Р3, что вызывает освобождение Са2+ из внутр икле-точных депо (саркоплазматический ретикулум, митохондрии). Кроме того, установлено прямое взаимодействие К-конца а-субъединицы Ка,К-АТФазы с 1Р3-рецептор ом. П редполагается, что за счет этого взаимодействия КТС могут прямо вызывать выброс Са2+ из депо в результате конформационных изменений а-субъединицы Ка,К-АТФазы, передающихся 1Р3-рецепто ру [18,20,21]. 3

Важно отметить, что К-концы а2- и а3-изо-форм Ка,К-АТФазы имеют структурный участок, который отвечает за их способность кластеризоваться в этих микр одоменах [22]. К роме того, в формировании подобных Са2+-микро-доменов важную роль играют такие белки ци-тоскелета, как спектрины и анкир ины [21,23-25].

Менее изучены свойства и функции Ка,К-АТФазы в других специализированных ком-партментах - липидных микродоменах мембраны. Известно, что все мембр анные белки взаимодействуют с липидным окружением, которое оказывает существенное влияние и на функцио-нир ование Ка,К-АТФазы [26,27]. П ри изучении Ка,К-АТФазы с использованием дрожжей Р1с-Ыа раъХопъ в качестве экспрессионной системы было показано, что липиды, включая холестерин, играют важную роль в стабилизации Ка,К-

АТФазы в плазматической мембране, причем изоформ-специфическим образом. Так, ряд альтерирующих фактор ов (нагревание, применение детергентов) пр еимущественно влияют на стабильность встраивания в мембр ану а2-изофор-мы Ка,К-АТФазы по сравнению с изоформами а1 и а3 [28]. П редполагается, что относительно меньшая стабильность а2-изоформы обусловлена особенностями ее трансмембранных доменов М 8, М 9 и М10, отвечающих за взаимодействие с фосфолипидами, а также более слабой ассоциацией с белком FXYD1 [29].

В последние годы появляется все больше доказательств локализации определенного пула Ка,К-АТФазы в кавеолах. В этих специализированных липидных микродоменах мембраны Ка,К-АТФаза за счет взаимодействия с молекулярным окружением образует регуляторные мультимолекулярные комплексы и реализует новые функции, в частности сигнальную [12,13,21,30-32]. Подр обнее сигнальная функция Ка,К-АТФазы будет рассмотрена в III разделе обзора.

Различают два основных типа липидных микродоменов. Липидные рафты (плотики) -это микродомены плазмалеммы (размером до 100 нм), которые служат как средство кластеризации функциональных белков и их перемещения по клеточной мембране. Благодаря этим свойствам, рафты участвуют во многих про -цессах жизнедеятельности клеток, в том числе играют роль сортировщиков молекул, способных координировать и упорядочивать передачу сигнала на определенных участках мембраны (сигналосомах). Особенностью данных микродоменов является большое содержание сфинго-липидов, разнообразных специализированных белков, а также холестерина, который участвует в контроле текучести и кривизны мембраны. Такой липидный состав делает мембрану ли-пидного рафта более плотной по отношению к другим участкам и позволяет рафтам перемещаться по поверхности мембраны за счет разности фаз [33-36]. В модуляции, кластеризации и диффузии белков мембраны, а также в стабильности рафтов важную роль играет актиновый цитоскелет [37-39].

Другими специализированными микродоменами мембраны явля

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком