Іонні канали. Різноманітність субодиниць
Введення
Сучасними методами біохімії, молекулярної та клітинної біології, електронної мікроскопії, електронної та рентгенівської дифракції отримана детальна інформація про молекулярну організацію і структуру каналів і рецепторів. Канали утворені чотирма або більше субодиницями або доменами, зібраними в певному порядку навколо центральної пори. Кожна субодиниця або домен включає, у свою чергу, від двох до шести трансмембранних ділянок, об'єднаних поза-і внутрішньоклітинними петлями. Ансамбль, що складається з субодиниць, складає структуру, достатню, щоб на адекватний сигнал утворити пору, що пропускає іони. Канали, які є відносно виборчими, такі як потенціалзалежні канали, звичайно являють собою тетрамери; більші і менш виборчі лігандактівіруемие канали є пентамерамі. Як продовження цього принципу найбільш великі канали - щілинні контакти - мають гексамерні структуру. Для деяких каналів до цих пір залишається неясною функціональне призначення ряду трансмембранних ділянок субодиниць. Проте є кілька прикладів, в яких функція окремих ділянок досить твердо встановлена. Наприклад, чітко доведено, що М2 ділянку субодиниць суперсімейства АХР формує стінку іонної пори і ворітної механізм. Рентгенівська дифракція виявила структурну основу іонної вибірковості калієвих каналів. Цей результат може бути екстрапольований на інші канали, що мають подібні первинні послідовності, такі як потенціалзалежні канали, канали внутрішнього випрямлення, канали, що активуються циклічними нуклеотидами, і канали, що активуються АТФ. Внемембранние петлі, що з'єднують трансмембранні ділянки, забезпечують ряд специфічних функцій, найбільш важливою з яких є формування центрів зв'язування внутрішньоклітинних та позаклітинних лігандів, що регулюють функції каналу. Крім того, накопичення іонів у внемембранних гирлах каналу допомагає регулювати іонну вибірковість і підвищує провідність каналу. Багато деталей молекулярного пристрою каналів залишаються нез'ясованими, але, озброєні сучасними технічними можливостями, ми можемо сподіватися на швидкий прогрес наших знань про молекулярну основі функціонування нервової системи
До цих пір залишаються деякі неясності в трансмембранної топології хлорних каналів CLC, що значною мірою залежить від різного трактування гідропатів аналізу амінокислотного складу білків каналу. CLC канали складаються з 13 гідрофобних доменів, 11 з яких з високою ймовірністю розташовані всередині мембрани. Особливістю цих хлорних каналів є наявність протяжного гідрофобного ділянки D9-D10, конфігурація якого в мембрані поки невідома. Експериментальні дані дозволяють припустити, що CLC-0 функціонує в мембрані як димер, незвичайним властивістю якого є те, що кожна субодиниця формує в мембрані свій власний незалежний канал.
Молекулярне клонування дозволило ідентифікувати кДНК для 16 субодиниць глутаматного рецептора. П'ять з цих субодиниць, названі NR1 і NR2, можуть брати участь у формуванні NMDA-рецептора. АМРА-рецептори сформовані іншими типами субодиниць, що позначаються як GluRA-GluRD (або GluRl-GluR4). Каінатние рецептори зібрані з субодиниць КА1 та / або КА2 в комбінації з GIuR5, 6 або 7. За аналогією з нікотиновим АХР вважається, що глутаматного канали є також пентамерамі, хоча на цьому подібність між ними закінчується Амінокислотна послідовність субодиниць глутаматного рецептора приблизно удвічі довше такої суперсімейства, що включає АГР, 5-НТ 3, ГАМК та гліціновие рецептори. Крім того, між двома цими суперсімейство практично немає гомології.
Оскільки субодиниці глутаматного рецептора мають чотири трансмембранних сегмента, спочатку вважали, що вони розташовуються в мембрані так само, як у АХР. Проте останні дані дозволяють представити будову глутаматних каналів. Згідно з цим поданням, другий сегмент вступає в мембрану з цитоплазматичною боку, утворюючи петлю-шпильку, що вистилає пору. Ця унікальна для глутаматного рецептора конфігурація підтверджується і даними мутагенезу даної петлі іонного каналу.
По-перше, це альтернативний сплайсинг. Більшість білків кодовані в різних сегментах ДНК, так званих екзонів. У деяких випадках Екзони замість комбінації в єдиний варіант мРНК, що контролює синтез специфічної субодиниці, утворюють різні альтернативні комбінації, що призводить до створення мРНК для множинних ізоформ субодиниць. Під час транскрипції невідомий регулюючий механізм визначає, яка з альтернативних мРНК буде використана для сінтезабелка. Залишок виключається з транскрипту і залишилися сегменти РНК з'єднуються, формуючи кінцеву мРНК. Наприклад, саме таким шляхом утворюються ізоформи калієвого каналу типу Shaker.
Другий спосіб досягнення різноманітності субодиниць - редагування РНК. Прикладом є субодиниці глутаматних рецепторів GluRB, GluR5 і GluR6. Ці субодиниці в середині другого трансмембранного сегменту містять або глютамінової, або аргінінових залишок. Присутність аргініну усуває кальцієву проникність іонного каналу та зменшує його провідність. Таким чином, хоча ДНК всіх трьох субодиниць для цього сайту містить глютамінової кодон (CAG), на рівні мРНК, у відповідній ділянці може з'явитися кодон для аргініну (CGG). Ця зміна в базовій послідовності нуклеїнових кислот досягається редагуванням РНК в ядрі клітини. Таким чином, наприклад, редагується процес синтезу GluRB і почасти синтез GluR5 і GluR6. У GluR6 додаткове редагування A / G знайдено в першому трансмембранному сегменті
Висновки
Сімейство потенціал-активуються кальцієвих каналів аналогічно по структурі натрієвого каналу. Потенціал-актівіруемие калієві канали структурно подібні натрієвих і кальцієвих каналів, але з важливою відмінністю: у них чотири повторюваних домену експресувати як окремі субодиниці, а не як повторювані домени однієї молекули. Існує щонайменше 20 генів, що контролюють експресію субодиниць калієвого каналу. Калієві канали групуються в чотири окремих підродини. Потенціал-актівіруемие натрієвий, кальцієвий і калієвий канали становлять разом єдине суперсімейство.
Субодиниці інших ліганд-і потенціал-активуються іонних каналів значно різняться як розмірами, так і амінокислотним складом. Деякі мають схожість з субодиницями потенціал-активуються каналів, але більшість помітно відрізняються від представників як потенціал-, так і АХ-активуються каналів. Деякі мають тільки два чи три трансмембранних домену, а інші можуть мати більше 10 таких доменів
Потенціал-активується натрієвий канал електричного органу вугра є одиночною молекулою, що складається з 1 800 амінокислот. Цей канал має чотири великих повторюваних домену (I-1V). Домени є архітектурними еквівалентами субодиниць інших каналів; всередині кожного є шість трансмембранних ділянок (S1-S6), з'єднаних внутрішньо-і позаклітинними петлями. Натрієвий іонний канал вугра є прототипом різноманітних ізоформ цього каналу, представлених в м'язах і мозку
У кожній субодиниці АХ рецептора є чотири трансмембранних ділянки (ΜΙ-Μ4), об'єднаних внутрішньо-і позаклітинними петлями. Показано, що М2 ділянка білку формує пору іонного каналу
Література
1. Трубецькой Д.І. Введення в синергетику. Т. 1: Коливання і хвилі; Т. 2: Хаос і структури.
2. Капіца С.П., Курдюмов С.П., Малінецкій Г.Г. Синергетика і прогнози майбутнього.
3. Баранцев Р.Г. Синергетика в сучасному природознавстві.
Введення
Сучасними методами біохімії, молекулярної та клітинної біології, електронної мікроскопії, електронної та рентгенівської дифракції отримана детальна інформація про молекулярну організацію і структуру каналів і рецепторів. Канали утворені чотирма або більше субодиницями або доменами, зібраними в певному порядку навколо центральної пори. Кожна субодиниця або домен включає, у свою чергу, від двох до шести трансмембранних ділянок, об'єднаних поза-і внутрішньоклітинними петлями. Ансамбль, що складається з субодиниць, складає структуру, достатню, щоб на адекватний сигнал утворити пору, що пропускає іони. Канали, які є відносно виборчими, такі як потенціалзалежні канали, звичайно являють собою тетрамери; більші і менш виборчі лігандактівіруемие канали є пентамерамі. Як продовження цього принципу найбільш великі канали - щілинні контакти - мають гексамерні структуру. Для деяких каналів до цих пір залишається неясною функціональне призначення ряду трансмембранних ділянок субодиниць. Проте є кілька прикладів, в яких функція окремих ділянок досить твердо встановлена. Наприклад, чітко доведено, що М2 ділянку субодиниць суперсімейства АХР формує стінку іонної пори і ворітної механізм. Рентгенівська дифракція виявила структурну основу іонної вибірковості калієвих каналів. Цей результат може бути екстрапольований на інші канали, що мають подібні первинні послідовності, такі як потенціалзалежні канали, канали внутрішнього випрямлення, канали, що активуються циклічними нуклеотидами, і канали, що активуються АТФ. Внемембранние петлі, що з'єднують трансмембранні ділянки, забезпечують ряд специфічних функцій, найбільш важливою з яких є формування центрів зв'язування внутрішньоклітинних та позаклітинних лігандів, що регулюють функції каналу. Крім того, накопичення іонів у внемембранних гирлах каналу допомагає регулювати іонну вибірковість і підвищує провідність каналу. Багато деталей молекулярного пристрою каналів залишаються нез'ясованими, але, озброєні сучасними технічними можливостями, ми можемо сподіватися на швидкий прогрес наших знань про молекулярну основі функціонування нервової системи
Потенціал-актівіруемие хлорні канали
Вперше потенціал-актівіруемие хлорні канали були клоновані з електричного органу Torpedo. Відомі як CLC-0 канали, вони з високою щільністю експресувати в неіннервірованной частини клітин цього органу, надаючи собою низькоомний шлях поширення струмів, що генеруються в іннервіровани області клітини. Ген, що кодує CLC-0, виявлений також в мозку ссавців і ставиться до великої родини, яка включає, щонайменше, вісім інших гомологічних генів. CLC-1 хлорні канали, знайдені в скелетному м'язі ссавців, вносять провідну роль в провідність мембрани м'язових волокон. Зокрема, вони стабілізують заряд мембрани на рівні потенціалу спокою. CLC-2 канали асоційовані з регулюванням об'єму клітини і володіють чутливістю до розтягування мембрани. Дві інші ізоформи хлорних каналів, CLC-K1 і CLC-K2, відповідають за реабсорбцію хлориду в нирках.До цих пір залишаються деякі неясності в трансмембранної топології хлорних каналів CLC, що значною мірою залежить від різного трактування гідропатів аналізу амінокислотного складу білків каналу. CLC канали складаються з 13 гідрофобних доменів, 11 з яких з високою ймовірністю розташовані всередині мембрани. Особливістю цих хлорних каналів є наявність протяжного гідрофобного ділянки D9-D10, конфігурація якого в мембрані поки невідома. Експериментальні дані дозволяють припустити, що CLC-0 функціонує в мембрані як димер, незвичайним властивістю якого є те, що кожна субодиниця формує в мембрані свій власний незалежний канал.
Калієві канали внутрішнього випрямлення
Калієві канали внутрішнього випрямлення (K ir канали) забезпечують рух іонів калію в клітину тоді, коли мембранний потенціал негативний по відношенню до рівноважного потенціалу калію, хоча вони практично не підтримують руху калію назовні клітини. Є принаймні п'ять підродин каналу K ir l-К iг 5, виявлених в мозку, серці та нирках. Одне сімейство, До ir 3, формує канали, що активуються внутрішньоклітинними G-білками. Ці канали можуть бути заблоковані внутрішньоклітинним магнієм і / або внутрішньоклітинними поліамінів. Передбачувана структура субодиниць K ir подібна до такої у каналу K CS A з двома трансмембранний домен. Магній-зв'язуючий сайт, блокуючий активність K ir каналів, розташовується приблизно на М2 домен в області цитоплазматичного кінця каналу.АТФ-активуються канали
Аденозин-5'-трифосфат (АТФ) виконує функцію нейротрансмітера в гладком'язових клітинах, в клітинах автономних гангліїв і в нейронах центральної нервовоїсистеми. Так як АТФ є пуринів, його рецепторні молекули відомі як пурінергіческіе рецептори. Один з них Р2Х рецептор, ліганд-активований катіонний канал. Клоновано сім субодиниць Р2Х рецептора (Р2Х 1-Р2Х 7). Їх передбачувана третинна структура з двома трансмембранним ділянками подібна до такої у субодиниць каналу K CS A.Глутаматного рецептори
Глутамат є найбільш важливим і найбільш поширеним збудливим нейротрансмітером центральної нервової системи, активує, щонайменше, три типи катіонних каналів. Всі три типи рецепторно-канальних комплексів володіють різними функціональними властивостями і відрізняються один від одного по чутливості до різних аналогам глутамату. Один з рецепторів, званий NMDA-рецептор, вибірково відповідає на N-methyl-D-aspartate (NMDA). Два інших рецептора активуються відповідно АМРА (amino3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) або каїнатом. Завдяки вибірковості, три цих агоніста (NMDA, АМРА, каїнат) є важливими експериментальними інструментами для селективної активації відповідного типу глутаматного рецептора. При цьому слід пам'ятати, що природним трансмітером для всіх трьох типів рецепторів є тільки глутамат, але не його аналоги.Молекулярне клонування дозволило ідентифікувати кДНК для 16 субодиниць глутаматного рецептора. П'ять з цих субодиниць, названі NR1 і NR2, можуть брати участь у формуванні NMDA-рецептора. АМРА-рецептори сформовані іншими типами субодиниць, що позначаються як GluRA-GluRD (або GluRl-GluR4). Каінатние рецептори зібрані з субодиниць КА1 та / або КА2 в комбінації з GIuR5, 6 або 7. За аналогією з нікотиновим АХР вважається, що глутаматного канали є також пентамерамі, хоча на цьому подібність між ними закінчується Амінокислотна послідовність субодиниць глутаматного рецептора приблизно удвічі довше такої суперсімейства, що включає АГР, 5-НТ 3, ГАМК та гліціновие рецептори. Крім того, між двома цими суперсімейство практично немає гомології.
Оскільки субодиниці глутаматного рецептора мають чотири трансмембранних сегмента, спочатку вважали, що вони розташовуються в мембрані так само, як у АХР. Проте останні дані дозволяють представити будову глутаматних каналів. Згідно з цим поданням, другий сегмент вступає в мембрану з цитоплазматичною боку, утворюючи петлю-шпильку, що вистилає пору. Ця унікальна для глутаматного рецептора конфігурація підтверджується і даними мутагенезу даної петлі іонного каналу.
Канали, що активуються циклічними нуклеотидами
Рецептори сітківки та нюхового епітелію активуються внутрішньоклітинним циклічним АМФ або циклічним ГМФ. Рецептори формують іонні канали, з різною вибірковістю для калію, натрію або кальцію. Амінокислотна послідовність субодиниць нуклетід-активуються іонних каналів має деяку гомологію з субодиницями потенціал-чутливих каналів. Передбачувана структура каналів включає шість трансмембранних ділянок, що добре узгоджується з гідропатів індексами цих білків. Ділянка S4 представлений регулярно повторюваними зарядженими залишками, хоча число їх нижче, ніж у потенціал-чутливих каналів. Відповідно до активацією внутрішньоклітинними лігандами, велика частина маси білка каналу знаходиться на цитоплазматичній стороні мембрани. Найбільш вірогідною формою об'єднання субодиниць є тетрамер.Різноманітність субодиниць
Характерною особливістю іонних каналів є широке розмаїття ізоформ субодиниць. Існує більше дюжини варіантів субодиниць нікотинового АХР і еше більше число субодиниць калієвого каналу і глутаматного рецептора. Як виникає така різноманітність? В основі цього лежить перш за все те, що кожен канал або субодиниця каналу кодовані окремим геном. Крім того, встановлено два інших механізму, що призводять до появи субодиниць з розрізняються властивостями.По-перше, це альтернативний сплайсинг. Більшість білків кодовані в різних сегментах ДНК, так званих екзонів. У деяких випадках Екзони замість комбінації в єдиний варіант мРНК, що контролює синтез специфічної субодиниці, утворюють різні альтернативні комбінації, що призводить до створення мРНК для множинних ізоформ субодиниць. Під час транскрипції невідомий регулюючий механізм визначає, яка з альтернативних мРНК буде використана для сінтезабелка. Залишок виключається з транскрипту і залишилися сегменти РНК з'єднуються, формуючи кінцеву мРНК. Наприклад, саме таким шляхом утворюються ізоформи калієвого каналу типу Shaker.
Другий спосіб досягнення різноманітності субодиниць - редагування РНК. Прикладом є субодиниці глутаматних рецепторів GluRB, GluR5 і GluR6. Ці субодиниці в середині другого трансмембранного сегменту містять або глютамінової, або аргінінових залишок. Присутність аргініну усуває кальцієву проникність іонного каналу та зменшує його провідність. Таким чином, хоча ДНК всіх трьох субодиниць для цього сайту містить глютамінової кодон (CAG), на рівні мРНК, у відповідній ділянці може з'явитися кодон для аргініну (CGG). Ця зміна в базовій послідовності нуклеїнових кислот досягається редагуванням РНК в ядрі клітини. Таким чином, наприклад, редагується процес синтезу GluRB і почасти синтез GluR5 і GluR6. У GluR6 додаткове редагування A / G знайдено в першому трансмембранному сегменті
Висновки
Сімейство потенціал-активуються кальцієвих каналів аналогічно по структурі натрієвого каналу. Потенціал-актівіруемие калієві канали структурно подібні натрієвих і кальцієвих каналів, але з важливою відмінністю: у них чотири повторюваних домену експресувати як окремі субодиниці, а не як повторювані домени однієї молекули. Існує щонайменше 20 генів, що контролюють експресію субодиниць калієвого каналу. Калієві канали групуються в чотири окремих підродини. Потенціал-актівіруемие натрієвий, кальцієвий і калієвий канали становлять разом єдине суперсімейство.
Субодиниці інших ліганд-і потенціал-активуються іонних каналів значно різняться як розмірами, так і амінокислотним складом. Деякі мають схожість з субодиницями потенціал-активуються каналів, але більшість помітно відрізняються від представників як потенціал-, так і АХ-активуються каналів. Деякі мають тільки два чи три трансмембранних домену, а інші можуть мати більше 10 таких доменів
Потенціал-активується натрієвий канал електричного органу вугра є одиночною молекулою, що складається з 1 800 амінокислот. Цей канал має чотири великих повторюваних домену (I-1V). Домени є архітектурними еквівалентами субодиниць інших каналів; всередині кожного є шість трансмембранних ділянок (S1-S6), з'єднаних внутрішньо-і позаклітинними петлями. Натрієвий іонний канал вугра є прототипом різноманітних ізоформ цього каналу, представлених в м'язах і мозку
У кожній субодиниці АХ рецептора є чотири трансмембранних ділянки (ΜΙ-Μ4), об'єднаних внутрішньо-і позаклітинними петлями. Показано, що М2 ділянка білку формує пору іонного каналу
Література
1. Трубецькой Д.І. Введення в синергетику. Т. 1: Коливання і хвилі; Т. 2: Хаос і структури.
2. Капіца С.П., Курдюмов С.П., Малінецкій Г.Г. Синергетика і прогнози майбутнього.
3. Баранцев Р.Г. Синергетика в сучасному природознавстві.