Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 186
Текст из файла (страница 186)
Положительный заряд на Агй™ предотвращает проникновение через пору катионов, в частности Н,О'. Две короткие спирали (показаны зеленым) обращены положительным концом своего диполя к поре, что помогает переориентировать молекулы воды по мере прохождения по каналу; зто разрушает цепочки нз молекул воды, связанных водородными связями, предотвращая перенос протона путем кпротонных прыжкова (см. рис. 2-13).
1572) Часть 1. 11. Биологические мембраны н транспорт слюна и слезы, происходит при участии акваноринов. В образовании мочи и удерживании воды в нефронах (функциональных единицах почек) участвуют есмь разных аквапоринон. Каждый почечный аквапорин локализован в нефронс специфическим образом, каждый имеет особые свойства и рсгуляторные особенности. Например, АЯР-2 в зпителиальных клетках почечного канальца регулируется вазопрессином (другое название — антидиуретнческий гормон): чем больше концентрация вазопрсссина, тем больше воды реабсорбируется в почках. У мутантных мышей, нс имеющих гена АЯР-1, образуется очень много мочи (пол нурия), а способность концентрировать ьючу снижается, что является результатом снижения проницаемости для воды проксимальных канальцев.
Известно, что генетические дефекты аквапоринов у человека являются причиной различных заболеваний, включая сравнительно редкую форму диабета, сопровождающегося полиурней (доп. 11-2). Аквапорины обнаружены у всех живых организмов. У растения Агабтг)о)тзгз гйа(гала 38 генов, которые копируют различные типы аквапоринов, что отражает решающую роль движения воды в 11.3 Транспорт веществ через мембраны 1Ш1 физиологии растений. Изменения в тургорпом давлении, например, требуют быстрого передвижения воды через мембрану (см.
с. 85). Молекулы воды протекают через канал А(4Р-1 со скоростью - 10з с '. Для сравнения — самое высокое число оборотов известно лля фермента ката- лазы, и оно составляет 4 . 10т с- ', а у многих ферментов число оборотов — от 1 до 10' с ' (табл. 6-7). Низкая энергия активации для перехода воды через аквапориновые каналы (Ь6' < 15 кДж/моль) наводит на мысль, что вода движется через каналы непрерывным потоком по осмотическому градиенту (об осмосе см.
с. 85). Существенно, что аквапорины не допускают перемещения протонов (ионов гцлроксония НзО'), которое лишило бы мембрану элсктрохимических потенциалов. И они не перемешаются. Откуда у аквапоринов такая исключительная селективность? Ответ мы находим в структуре АЯР-1, которая была установлена методом рснтгеноструктурного анализа Молекула АЯР-1 (рис. 11-46, а) состоит из четырех идентичных мономеров (д и каждого М, = 28000), каждый мономер образует транс- мембранную пору с таким диаметром, чтобы пропускать молекулы воды «колонной по одному». Каждый мопомср состоит из шести спиральных трансмсмбранных сегментов и двух более коротких спиралей,причемобесодержатпоследоватсльность Азп-Рго-А!а (ЯРА). Шесть трансмембранных спиралей образуют пору по длине мономера, а две короткие петли„содержащие последовательность ЯРА простираются по направлению к середине бислоя с разных сторон, образуя «фильтр специфичности» вЂ” структуру которая позволяет проходить только молекулам воды (рис.
11-46, 6). В центре мембраны водный канал сужается до диаметра 2„8 А, что строго ограничивает диаметр молекул, способных проникать через канал. Положительный заряд консервативного остатка Агй в этом узком месте предотвращает проникновение катионов, в частности НзО . Остатки, которые выстилают канал, каждого мономера АЯР-1, обычно нсполярны. Но карбонильныс атомы кислорода в остове пептнда, выступая то там, то здесь в узкую часть канала, могут образовывать водородные связи с отдельными молекулами проходящей воды; два остатка Азп (Азпт«и Азово) в петлях 1ч РА также связываются с водой водородными связями.
Эта структура не включает в себя ближние молекулы воды, которые мог- ли бы образовать цепь, делающую возможным эффективный перескок протонов (см. Рис. 2-13) через мембрану. Остатки Агй и Н1з, а также электрические диполи, образованные короткими спиралями 1«РА-петель, обеспечивают наличие положительных зарядов, которые отталкивают все протоны, нс давая им проникнуть через поры, н, кроме того, предотвращают образование водородных связей между соседними молекулами волы. Аквапорин, выделенный из шпината, является управляемым каналом и находится в открытом состоянии, когда два остатка 8ег вблизи внутриклсточного конца канала фосфорилированы, и в закрытом состоянии, когда они дефосфорилированы. Этот белок был изучен в обоих состояниях при помощи РСА.
Фосфорилированис способствует образованию конформации, в которой два соседних остатка 1.еп и остаток Н1з оказываются вдавленными внутрь канала, что блокирует продвижение воды дальше этого места и эффективно перекрывает канал. Действие других аквапоринов регулируется по-другому, но в результате всегла достигается быстрое изменение проницаемости мембраны для молекул воды. Обычно аквапорины пропускают только воду, однако некоторые из пих с высокой скоростью пропускают глицерин и мочевину (табл.11-5). Считается, что эти аквапорины играют важную роль в метаболизме глицерина.
Например, АЯР-7, обнаруженный в плазматической мембране адипоцитов (жировых клеток), эффективно транспортирует глицерин. У мышей с дефектом А(4Р-7 развивается ожирение, а во взрослом состоянии — диабет, по-видимому, вследствие невозможности переносить глицерин в адипоциты или из них при превращении триацилглицеридов в жирные кислоты и глицерин, и наоборот. Ион-селективные каналы делают возможным быстрое перемещение ионов через мембраны Ион-селективные каналы, впервые обнаруженные в нейронах и присутствующие, как теперь известно, в плазматических мембранах всех клеток, а также во внутриклеточпых мембранах эукариот, имеютдругой механизмперспосансорганических ионов через мембраны.
Ионные каналы вместе с ионными насосами, такими как )ча'/К'-АТРаза, определяют проницаемость шзазматической мембраны в отношении специфических ионов и регу- (574) Часть(. 11. Биологические меибрзны и транспорт лируют концснтрацито ионов в цитозолс и мембранный потснциал. В нейронах очень быстрые изменения в ионных каналах вызывают изменения мсмбранного потенциала (цотенциала действия), которые передают сигналы с одного конца нейрона на другой.
В миоцитах быстрое открытие Са'-каналов в саркоплазматическом рстикулумс высвобождает ионы Са', которые запускают сокрашспие мышцы. Мы обсудим сиптальную роль ионных каналов в гл. 12. Здесь опии~ем структурную основу функционирования ионного капала, используя в качестве примеров бактериальный К -канал, Ха'-канал нейронов и ионный канал ацетилхолинового рецептора. Ионные каналы отличаются от ионных транспортеров по крайней марс тремя свойствами. Вопервых, скорость переноса через каналы может быть на несколько порядков больше, чем число оборотов для транспортера, — от 10т до 1Пз ионов/с для ионного канала, что составляет почти теоретический максилгум для неограниченной диффузии. Во-вторых, ионныс каналы нс являются насышаемыми: скорость транспорта нс достигает максимума при высокой концентрации субстрата.
В-третьих, они являются управляемыми — открываются или закрываются в отвст на некоторые события в клетке. В лигандзависимых каналах (которые обычно представлены оли гомера ми) связывание внсклсточной или внутриклеточной малой молекулы вызывает аллостеричсский переход в бслкс, который открывает или закрывает канал. В потенциалзависимых ионных каналах изменение трансмембранного электрического потенциача (1' ) вызывает смешение заряженного домена белка относительно мембраны, при этом ионный капал открывается или закрынастся. Оба типа регуляции могут быть очень быстрыми. Обычно канал открывается за доли миллисекунды и может оставаться открытым только в тсчснис миллисекунд, делая это молекулярное устройство эффективным для очень быстрой псрсдачи сигнала в нервной системе. Работа ионного канала измеряется и характеризуется с помощью электрических параметров Пгккольку единичный ионный канал обычно оста- ется открытым только в течение миллисекунд, для большинства биохимических экспсримснтов па- Каца~ Кусочек(пэтч) мембраны, аытяцутый из клетки Кусочек мембраны, помещенный з аалпый п,н .
*ещ М нкрапнпетка, платно прижатая к плаэматическай мембране Ь.:: 'я'" .. Мцыз. цан з) ' 1лектра -4е Электронный прибор для поддержания постоянного транемембраццага потенциала(Ъ' ) и изметюння тока, идущего черезмембрану блюдснис за этим процессом выходит за границы возможного. Поэтому ионные потоки должны измеряться либо как измснения потенциалов )г,„(в милл ивольтовой области), либо как электрические Рис. 11-47. Элеитричвские измерения функции ионного канала.
«Активность» ионного кзнала оценивается путем юмерения тона ионов через него с использованием методики пэтч-кязмп. Тонно оттянутой пипеткой (микропкпеткой) надавливают на клеточную поверкностк и отрицательное давление в пипетке создает герметичное соединение между пипеткой и мембраной. Когда пипетка вытягивается ю клетки, она вытягивает крошечный кусочек мембраны (который может содержать адин или несколько каналов). После помещения пипетки и находящегося на ее кончике кусочка (пэтча) в водный раствор можно измерить активность канала по электрическому току мюриду содержимым пипетки и водным растзором.
Практически таким же образом создается электрический контур, в контуре поддерживается определенный трансмембрзнный потенциал, а иэмеряктг так. который должен пщцирживать это напрвкение. С помощью высокочузствитеяьных детекторов можно измерять так, протекающий через единичный ионный канал и составляющий обычно несколько пикоампер. При регистрации тока как функции времени (в миллисекундах) можно определить, насколько быстро канал открывается и закрывается. как часто он открывается и как долго осшется открытым. Исследование, проведенное при разных У позволяет оценить влияние юменения мембтяатного потенциала на эти параметры работы канала. Эрвин Неер Берт Закман опеременно заппмз- ыепопамнК центры + шубпп нлн зелепып Снаружи Внутри К е гпдрзтнруюшпмп малекулзмн воды Родерик Маккиннон токи У (н области микроампер или пикоампер) с применением микрозлсктродон и соответствующих усилителей.
В мстодс нзтч-кламп, разработанном Эрвином Неером и Бертом Закмаиом в 1976 г., измеряя>тся очень малые токи через крошсчпузо область мембранной поверхности, содержащую всего только одну или несколько молекул ионных каналов (рис. 11-47). Исследователь может измерить величину и продолжительность тока, который идет во время одного открытия ионного канала, и определить частоту открывания канала и влияние на эту частоту трансмембранного потенциала, регуляторпых лигапдов, токсинов и других агентов. Исследования методом пзтч-кламп показзли, что 10' ионов могут передвигаться через единичный ионный канал за 1 мс.
Такой ионный ток обусловлен гигантским усилением первоначального сигнала;например,для открытия капала ацетилхолипового рецептора нужны только двс молекулы ацстилхолина (см. ниже). Структура К'-канала связана с его специфичностью Структура калиевого канала бактсрии 5Ьерготу- сез 1й Ыипз была расшифрована Родериком Мак- кинноном н 1998 г. по результатам кристаллогра- 11.3 Транспортвеществчерезмембраны 1575! Внутри ез Кзрбонпльпые кнслороды каркаса образуют ячейку, которзп точно соответствует рззмеру К, ззмепшп мпзеку поды сферы гпдратзппп з ет) Спиральный диполь гтабпчп~иртет К ,, ф ,аю,' й„- ольшпе заполненное золой преддверие» делает возможной дратзппю К+ Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
