научная статья по теме АРХИТЕКТУРА РЕЦЕПТОР-УПРАВЛЯЕМЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН Биология

Текст научной статьи на тему «АРХИТЕКТУРА РЕЦЕПТОР-УПРАВЛЯЕМЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН»

БИОФИЗИКА, 2011, том 56, вып. 1, с. 62-73

= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= =

УДК 612.815.1

АРХИТЕКТУРА РЕЦЕПТОР-УПРАВЛЯЕМЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ

БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

© 2011 г. П. Д. Брежестовский

Средиземноморский институт нейробиологии, INSERM U-901, Марсель, Франция. 163 route de Luminy, BP 13, 13273 Marseille cedex 9 Е-mail: pbreges@inmed. univ-mrs.fr Поступила в p едакцию 24.12.09 г.

Ионные каналы биологических мембран являются ключевыми белками, обеспечивающими биоэлектрическое функционирование живых систем. Они являются гомо- или гетероолигоме-рами, состоящими из нескольких одинаковых или разных субъединиц. Понимание архитектурной организации и функционирования ионных каналов значительно расширилось с получением кр исталлической структур ы нескольких типов этих тр ансмембранных белков. В обзоре представлена краткая информация, полученная в результате расшифровки кристаллических структур калиевых каналов, никотиновых ацетилхолиновых рецепторов, АТФ-активируемых и других типов рецептор-управляемых ионных каналов. Несмотря на различие в функции, топологии, ионной избир ательности, количестве субъединиц, необходимых для фор мир ования функционального канала, обнаруживается высокое сходство в принципах организации этих сложных макромолекуляр ных комплексов.

Ключевые слова: рецептор-управляемые ионные каналы биологических мембран, кристаллическая структура калиевых каналов, никотиновых ацетилхолиновых рецепторов, А ТФ-активируемых каналов.

Фундаментальными элементами клеток биологических ор ганизмов являются мембр аны и ионные каналы. Возникшие в процессе эволюции липидные мембраны позволили природе решить чрезвычайно важную проблему ком-партментализации внутриклеточных компонентов, необходимых для синтеза и функционирования огромного р азнообр азия жизненно важных молекул. Однако решение этой задачи создавало другую, не менее трудную проблему: липидные мембраны представляют барьер, непреодолимый для проникновения в клетку и выхода из нее ионов и заряженных молекул. Электр ическое поле вокруг иона вызывает его отталкивание от липидного бислоя клетки, известное как диэлектрический барьер. П рироде нужно было решить сложнейшую задачу создания механизмов регулируемого пр охождения заряженных частиц через мембрану.

Эту задачу природа успешно решила, создав огромное разнообр азие ионных каналов и транспортеров. Такое решение не только позволило осуществить взаимодействие клетки с внешней средой, но и создать фундаментальный

Сокращения: нАХР - никотиновые ацетилхолиновые рецепторы, КХ - карбахолин, АХ - ацетилхолин, СХ -суберилхолин, АхСБ - ацетилхолинсвязывающий белок.

принцип биоэлектрического функционирования живых систем. Благодаря ионным каналам обеспечивается стр ого регулир уемый контроль потока ионов через клеточные мембраны. Этот ключевой сигнальный механизм используется во всех царствах биологических организмов для поддержания потенциала покоя клеток и выполнения огромного числа физиологических функций.

НЕМНОГО И СТОРИИ

Множество ионных каналов можно разделить на четыре основных категории: потенци-ал-управляемые, рецептор-управляемые, меха-но-активируемые и межклеточные каналы высокой проницаемости [1,2].

Ион-зависимая сигнализация особенно кр и-тична для функционирования нер вной системы животных организмов, у которых электрические сигналы распространяются и обрабатываются с помощью потенциал-зависимых и рецептор-управляемых ионных каналов. Потенциал покоя клеток поддерживается благодаря активной работе насосов, асимметричному распределению ионов и функционированию К+-каналов. Электрический сигнал - потенциал действия -генерируется как результат кратковременной

активации натриевых каналов и распространяется по аксону к нервному окончанию. Деполяризация пресинаптического окончания приводит к активации кальций-избирательных ионных каналов; входящий в пресинапс кальций запускает выброс квантов нейромедиатора. Выделившийся из пресинаптической клетки ней-ромедиатор взаимодействует со специфическими р ецепто рами, представляющими собой трансмембранные рецептор-управляемые каналы в постсинаптической мембр ане. Связывание лигандов с рецепторами приводит к открытию этих специализированных белковых комплексов, позволяя ионам проходить через мембрану, изменять потенциал клетки и, таким образом, осуществлять быструю пер едачу сигнала между клетками.

Сейчас это азбучные истины. Их основы были заложены еще в середине 19-го века. В 1840-х годах в группе исследователей, в о снов-ном учеников Иоганна Питера Мюллера (Гейм-гольц, Дю Буа-Реймон, фон Брюк, Карл Людвиг), возникло пр едположение о существовании ионных пор. Они использовали этот термин в предлагаемых ими гипотезах для объяснения электрических (Дю Буа-Реймон открыл потенциал действия) и осмотических явлений в биологических организмах [1].

Важное расширение представлений о значении и функции предполагаемых ионных пор произошло на границе 19-го и 20-веков, когда пионер экспериментальной нейрофизиологии Юлиус Бернштейн [3] предложил теорию биоэлектрических явлений, основанную на физико-химических концепциях Нернста и О стваль-да. Бернштейн предполагал, что в состоянии покоя, благодаря существованию специализированных пор, клетка проницаема только для ионов калия. Во время возбуждения открываются поры, способные пропускать в равной степени небольшие ионы (натрия, хлора, калия), приводящие к кратковременному уничтожению потенциала покоя, т.е. генерации потенциала действия, амплитуда которого развивается в пределах от уровня отрицательного значения потенциала покоя (примерно -70 мВ) до нуля.

В 20-м веке анализу биоэлектрических явлений, расшифровке механизмов генерации электрических сигналов в клетках, доказательству существования специализированных пор (на современном языке - ионных каналов) посвящены работы многих замечательных ученых, в особенности К. Армстронга, Б. Катца, Р. Миледи, Э. Неера, Б. Сакмана, А. Ходжкина, Э. Хаксли, Б. Хилле, Дж. Экклса. Важный вклад в эти исследования внесли советские ученые: П. Костюк, О. К рышталь, Г. Можаева, А. Нау-

мов, Б. Ходор ов, Л. Чайлахян. Объем данной работы не позволяет подробно излагать эти исследования, коснусь только нескольких ключевых вех.

Почти через 40 лет после опубликования теория биологических явлений Бернштейна [3] подверглась кар динальному пересмотру. В 1939 году Ходжкин и Хаксли представили данные, указывающие на то, что возбуждение не просто приводит к уничтожению потенциала покоя, но вызывает его инверсию, т.е. потенциал клетки на короткое вр емя становится положительным [4]. Было доказано, что эта инверсия возникает благодаря избирательной кратковременной активации натриевых каналов. В 1952 году Ходжкин и Хаксли опубликовали количественное описание распространения потенциала действия в аксоне кальмара [5]. За эти исследования они были удостоены Нобелевской премии в 1963 году.

Несмотря на то, что Ходжкин и Хаксли замечательно описали относительные изменения натриевой и калиевой проводимости при генерации потенциала действия, они не предложили никакого механизма, объясняющего прохождение ионов через мембрану и высокую ионную избир ательность этих пр оцессов. Позднее, Ходжкин и Кейнис, исследуя трансмембранные потоки калия изотопным методом, высказали предположение, что ионы пересекают мембрану вдоль цепи отрицательных зарядов через «узкие трубы или каналы», в которых они вынуждены двигаться «в одном файле»: цепочкой, представляющей несколько ионов в канале в каждый момент времени [6]. Более чем через 40 лет после получения первой кристаллической структуры калиевого канала [7] выяснилось, что это предположение оказалось пророческим. Ниже это будет освещено подробнее.

В 50-е годы представления о существовании клеточных мембран принимались в Советском Союзе с огромным сопротивлением. Важным фактором в преодолении этого сопротивления была опубликованная в 1959 году работа Е. А. Либермана и Л. М. Чайлахяна о пр ир оде потенциала действия [8]. В этой статье и серии последующих работ [9-12] был проведен критический анализ основных концепций механизмов генерации потенциалов в клетках биологических организмов, а также суммированы накопленные к тому времени доказательства существования биологических мембран и специфических ионных пор, обеспечивающих поддержание мембранного потенциала клеток и генерацию потенциала действия.

В начале 1970-x годов американские исследователи Клей А рмстронг и Бер т Хилле опубликовали серию работ, в котор ых были высказаны важные, основанные на экспериментальных наблюдениях, представления об ионных каналах:

- ионные каналы для натрия и калия - это разные белковые образования;

- ионные каналы имеют распахивающиеся (swinging) ворота, открывающиеся в результате кратковр еменной конформации белковой макромолекулы;

- архитектуру каналов можно изучать, используя измерения воротных токов, проницаемость для разных ионов и с помощью блока-торов р азной молекулярной о рганизации.

На основании этих исследований А рмстронг высказал плодотворную гипотезу, позволяющую объяснить механизм, обеспечивающий высокую избирательность калиевых и натриевых каналов. Предположение основывалось на исследованиях Б. Хилле по оценке размеров калиевого канала [13] и предполагающих дегидратацию ионов натр ия в натриевом канале [14].

Идея заключалась в следующем. В цитоплазме или во внеклеточном пространстве ионы натрия и калия находятся в окружении воды, плотно взаимодействуя с ее кислородными атомами. Армстронг предположил, что в устье К+-канала имеется кольцо из карбонильных ки-слородов. Диаметр этого кольца такого размера , что ион К + (р адиус 1,33 А), попадая в устье канала, взаимодействует с этими атомами кислорода так же плотно, как и с водным окружением. В результате он дегидратируется без потери энергии и может легко двигаться через пору такого размера. Однако ион натрия имеет значительно меньший размер (радиус 0,95 А) и не может плотно взаимодействовать с кольцом карбонильных кислородов, представляющим для него высокий энергетический барьер [15-17].

Эти идеи, о снованные на электрофизиологическом

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