Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

ктура канала щелевого контакта зависит от наличия ионов Са2 + . В присутствии Са2 + субъединицы расположены параллельно центральной оси канала, а в отсутствие этих ионов они несколько наклонены (открытое состояние). Это наводит на мысль, что открывание и закрывание канала происходит аналогично работе ирисовой диафрагмы фотоаппарата; субъединицы скользят друг относительно друга в ответ на сигнал к открыванию или закрыванию. Однако точный механизм этого процесса далеко не ясен.

360 Глава 8

8.2.2. ЯДЕРНЫЕ ПОРОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Как упоминалось в гл. 1, ядерная оболочка состоит из двух мембран. Ядерные поровые комплексы участвуют в транспорте веществ между ядром и цитоплазмой [1217]. Эти поры, аналогично каналам щелевых контактов, пронизывают две мембраны. По данным электронной микроскопии высокого разрешения, ядерная пора имеет октагональную симметрию, но устроена сложнее, чем канал щелевого контакта [1483]. Ядерная пора представляет собой два октагональных цилиндра (по одному в каждой мембране), соединенных вместе наподобие канала щелевого контакта. Полипептидный состав поры ядерной оболочки окончательно не установлен [294].

Размер поры ядерной оболочки весьма велик, радиус ее функциональной части составляет ~ 90 А; через нее могут проходить как небольшие растворимые вещества, так и многие крупные молекулы. Существуют специальные механизмы транспорта макромолекул внутрь ядра и из ядра в цитоплазму, однако до сих пор о них мало что известно. Процессы транспорта в ядро белков, синтезированных в цитоплазме, рассматриваются в гл. 10.

8.2.3. ПОРИНЫ [579, 86, 1053]

Порины образуют поры, которые функционируют как молекулярные сита, опосредуя диффузию небольших гидрофильных молекул через наружную мембрану грамотрицательных бактерий. Исследование более чем сорока различных поринов [57] позволило выявить некоторые их общие особенности. Мол. масса поринов варьирует от 28 ООО до 48 ООО. В мембране они обычно присутствуют в виде тримеров. Для поринов характерно высокое (до 6Wo) содержание /3-слоев [1523]. Наиболее полно к настоящему времени охарактеризованы порины из Е. coli: OmpF (порин матрикса), OmpC, PhoE и LamB (мальтопорин). Структура этих поринов обсуждалась в разд. 3.5.3. Их основной особенностью является то, что они образуют наполненный водой трансмембранный канал, причем этот канал образован в основном ^-структурными элементами. На рис. 8.7 представлена одна из возможных моделей образования поринового канала из амфифильных /3-цепей. Порины прочно связаны с липопо-лисахаридами и с пептидогликаном, однако эти вещества не являются необходимыми для функционирования поринов как трансмембранных пор.

Образуемые порином каналы сильно различаются как по размерам (диаметр от 6 до 23 А), так и по селективности (от трехкратной для анионов до сорокакратной для катионов) [579]. Селективность связана с наличием внутри канала или около входа в канал заряженных аминокислотных остатков [580]. Измерения проводи-

Поры, каналы и переносчики 361

Рис. 8.7. Модель поринового тримера (вид сверху); каждая субъедииица содержит пору, внутренняя поверхность которой образована остатками гидрофильных аминокислот [1523]. Каждая «гаителька» — это /З-цепь из чередующихся гидрофильных (светлые кружки) и гидрофобных (темные кружки) остатков. Сплошные линии — границы между отдельными субъединицами.

мости одиночных каналов и проницаемости пор, а также электронно-микроскопические исследования указывают на то, что строение пор не одинаково для разных поринов. В одних случаях тримеры порина образуют один большой канал, в других — три независимых канала (рис. 8.7). Канал OmpF имеет три входа с наружной стороны клетки, которые затем сливаются, образуя единый выход в периплазму [579].

Три из четырех поринов Е. coli имйют много общих структурных особенностей, а их аминокислотные последовательности в значительной степени гомологичны. Эти порины образуют поры диаметром 10—12 A (OmpF, OmpC и PhoE). Четвертый порин, LamB (мальтопорин), значительно отличается от трех предыдущих, хотя его аминокислотная последовательность обнаруживает некоторое сходство с ними. Ои тоже образует главным образом ^-складчатые структуры [579]. LamB является частью системы транспорта мальтозы и обладает сродством к производным мальтозы. В отсутствие мальтозы LamB образует небольшие каналы, которые целиком блокируются при связывании мальтозы [87]. Главной функцией LamB является стимуляция накопления мальтозы, а не работа в качестве диффузионной поры для небольших растворимых веществ. Топографию LamB исследовали с помощью различных методов (см. гл. 4), включая генетические. В результате была построена детальная модель этого канала, пронизывающего мембрану [127].

362 Глава 8

Предположение о том, что порины являются воротными каналами и, значит, могут находиться в закрытом состоянии, подвергалось всесторонней проверке [813]. In vitro работа поринов (например, OmpF) может регулироваться напряжением на мембране (открывание — закрывание), однако физиологическая значимость этого явления остается неясной [813].

И наконец, следует отметить, что из наружной мембраны митохондрий были выделены порины, работа которых регулируется напряжением на мембране. Они называются потенциалзависимыми анионселективными каналами [451, 884]. Эти порины не являются родственными бактериальным поринам, но они также рбразуют цилиндрическую пору из /3-структурных элементов [451}.

В заключение отметим, что порины представляют особый интерес, поскольку они показывают, что трансмембранные каналы могут образовываться не только из а-спиралей, но и из /3-слоев. Кроме того, как мы уже говорили в разд. 3.5.3, проводимые в настоящее время кристаллографические исследования позволяют надеяться, что удастся определить структуру пориновых каналов с высоким разрешением.

8.2.4. НИКОТИНОВЫЙ АЦЕТИЛХОЛИНОВЫЙ РЕЦЕПТОР (nAChR-КАНАЛ) [1012, 863, 1399, 564]

nAChR-канал является примером канала, работа которого регулируется нейромедиатором. Эти каналы находятся главным образом в концевых пластинках — постсинаптических мембранах нервно-мышечных соединений скелетных мышц. При электрическом возбуждении нейрона из него высвобождается нейромедиатор ацетилхолин. Последний диффундирует от пресинаптической мембраны нейрона к мембране скелетной мышцы. Никотиновые ацетилхо-линовые рецепторы имеют вид плотно упакованных кластеров в плазматической мембране мышечного волокна, входящей в состав концевой пластинки. При взаимодействии с ацетилхолином канал открывается, опосредуя селективное перемещение катионов. Под действием ионного тока изменяется трансмембранный потенциал и происходит электрическое возбуждение мышечной клетки, что приводит к сокращению мышцы.

nAChR-канал регулируется с помощью химических механизмов, причем сигнал действует непосредственно на канал. Химическим сигналом является ацетилхолин, который передает возбуждение от нервного волокна к мышце. Анализ аминокислотной последовательности показал, что никотиновый ацетилхолиновый рецептор и два других нейромедиаторных рецептора — глициновый рецептор и рецептор 7-аминомасляной кислоты (ГАМК) — имеют много общих структурных особенностей [1302, 549]. Они образуют группу

Поры, каналы и переносчики 363

химически регулируемых каналов (табл. 8.2). Впрочем, несмотря на сходство аминокислотных последовательностей, эти белки имеют разную четвертичную структуру. Биохимические свойства рецептора глутамата, одного из важных нейромедиаторов головного мозга, не исследованы [1390].

Отметим, что номенклатура и классификация нейромедиаторных рецепторов основаны главным образом на данных о влиянии на них различных лекарственных веществ, в особенности тех, которые выступают в роли агонистов, стимулируя рецептор наподобие естественного нейромедиатора, или антагонистов, которые блокируют стимулирующий эффект агонистов. Например, рецепторы ацетилхолина в начале этого века разделяли на никотиновые и мус-кариновые на основании их фармакологических различий. Никотиновые рецепторы ацетилхолина — это группа родственных рецеп-торных белков. Мускариновый рецептор из клеток мозга структурно не сходен с nAChR-каналом [1336, 793] и в действительности не является каналом; механизм его функционирования будет обсуждаться в следующей главе. Необходимо отметить, что охарактеризованы никотиновые ацетилхолиновые рецепторы из ткани мозга, по некоторым структурным и функциональным особенностям отличающиеся от каналов концевой пластинки [1572]. Однако в этом разделе мы остановимся главным образом на каналах концевых пластинок.

По сравнению с другими канальными белками nAChR-канал охарактеризован наиболее полно, и связано это с тем, что существует легкодоступный источник, содержащий большие количества данного белка. Большая часть биохимических экспериментов была поставлена с использованием рецептора, выделенного из электрического органа скатов Electrophorus и Torpedo. Показано, что эти каналы очень похожи на каналы концевых пластинок как в структурном, так и в функциональном отношении. Гибридные белки, состоящие из субъединиц рецепторов из электрического органа Torpedo и нервио-мышечиого соединения быка, оказались полностью функциональными [677].

Выделенный и очищенный nAChR-канал состоит из пяти полипептидных субъединиц четырех разных типов со стехиометрией а208у. Две копии а-субъединиц, присутствующие в комплексе, по всей вероятности, выполняют разные функции [1200]. Субъединицы близки друг к другу по аминокислотной последовательности и различаются по кажущейся молекулярной массе (от 40000 до 68 000). Все субъединицы фосфорилированы и гликозилированы, а к двум, а и /3, ковалентно присоединен липид [1094] (см. гл. 3).

На основе электронно-микроскопических методов реконструкции изображения была построена модель канала, приведенная на рис. 8.8 [663]. Метод негативного контрастирования ясно показыва-

364 Глава 8

Рис. 8.8. Модель канала никотинового ацетилхолинового рецептора (663]. Показаны общий вид канала и его расположение в мембране, отмечены участки гликозилирования с наружной стороны и места связывания ацетилхолина на а-субъединицах.

ет, что канал имеет центральное отверстие диаметром 30 А с внеклеточного (синаптического) конца и значительно более узкое с цитоплазматической стороны. На фотографиях четко видна пентамер-ная структура комплекса. Это означает, что пять субъединиц организованы вокруг центральной поры. Использование реагентов, образующих поперечные сшивки (гл. 4), показывает, что субъединицы расположены в следующей последовательности: /3—а—-6—у—а, так что а-субъединицы не соседствуют друг с другом. По данным многочисленных исследований [663], места связывания ацетилхолина, других агонистов и конкурентных антагонистов располагаются на а-субъединицах. Следовательно, существуют два места связывания для этих химических агентов. Антагонисты препятствуют активации, вызываемой агонистами, или путем прямой конкуренции за связывание с теми же участками (конкурентные антагонисты, например а-бунгаротоксин), или за счет связывания с каким-либо другим местом и, возможно, взаимодействия с каналом per se (неконкурентные антагонисты, например ТРМР + ).

Как видно из рис. 8.8, nAChR-канал имеет длину около 140 А, причем участок длиной 70 А расположен над поверхностью бислоя с наружной стороны, образуя большие ворота канала. В клетках Torpedo канал существует в виде димерных единиц, связанных друг с другом дисульфидным мостиком между 6-субъединицами с вне-

Поры, каналы и переносчики 365

клеточной стороны [356]. Часть канала, выступающая из бислоя с цитоплазматической стороны, гораздо менее протяженна; по-видимому, она взаимодействует с элементами цитоскелета, что способствует образованию плотноупакованных кластеров канальных белков в концевой пластинке. Было высказано предположение, что эти взаимодействия опосредует особый белок мол. массой 43 000 [ПО] (рис. 8.8). В концевой пластинке каналы могут быть собраны в кластеры с плотностью до 10000 молекул на 1 мкм2, что близко к теоретическому пределу [633]. При взаимодействии с ацетилхолином или другими агонистами через данный участок мембраны начинает течь электрический ток, деполяризующий постсинаптическую мембрану.

Кинетическое поведение nAChR-канала можно с успехом анализировать, если рассматривать его как аллостерический фермент, способный находиться в нескольких конформациях [1477]. Существуют как минимум три состояния, в которых может находиться канал: открытое, закрытое и инактивированное. Для индукции перехода канала из закрытого состояния в открытое, в котором он остается около 1 мс, необходимо кооперативное связывание двух молекул ацетилхолина (см. рис. 8.4). В инактивированиом состоянии канал остается закрытым даже в присутствии ацетилхолина. Измерения проводимости одиночного канала свидетельствуют о наличии более чем одного открытого состояния [1012], и кинетическая модель при этом оказывается достаточно сложной [1477]. Опыты по встраиванию канала в липидный бислой показали, что липидное окружение может влиять на способность канала к переходу из одной конформации в другую [445].

К*-селективный- Нъ-селектив- Канал концевой канал ный канал пластинки (nAChR)

/ 1

V i У

з.з.< з.зА з,1 х 5,1 А

Площадь = 8,6 А2 Ллощадд=15,8 А2 Рм.'Рк<0,01 Рм./Рк = 11,6

\

/ к

\

6,5 х 6,5 А Площадь = 40,3 А2 Pn./Pk = 0,9

Гидрат ирода нные ионы

К'

Na'

Рис. 8.9. Размеры трех каналов из нервных и мышечных волокон лягушки, полученные с помощью метода «молекулярного сита» [362а]. Длина стороны каждого квадратика равна 1 А. Приведены также отношения коэффициентов проницаемости для Na* и К + и относительные размеры этих иоиов. В основном растворе отношение коэффициентов диффузии для Na+ и К* равно 0,7.

366 Глава 8

В открытой конформацни канал проницаем для катионов и небольших неэлектролитов, но не анионов. Ограничения, налагаемые на размер проходящих молекул, позволяют судить о размерах наиболее узкой части канала. Соответствующие данные представлены на рис. 8.9 вместе с данными для двух других каналов. Радиус небольшого негидратированного иона, способного проходить через канал, является разумной оценкой предельных размеров канала. Непроницаемость канала для анионов и в три раза ббльшую проницаемость для катионов, чем для незаряженных молекул, можно объяснить электростатическими взаимодействиями, возникающими благодаря присутствию в воротах канала биполярных или отрицательно заряженных групп. Селективность канала по отношению к одно- и двухвалентным катионам невелика, но согласуется с моделью, в которой ионы даже внутри канала взаимодействуют главным образом с молекулами воды, а не с элементами собственно канала [852]. Хотя размеры nAChR-канала относительно велики, он все же слишком мал, чтобы через него могли проходить полностью гидратированные ионы. Внутренняя полость канала должна содержать группы, которые могли бы легко заменить утраченные при дегидратации

страница 51
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.08.2017)