Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 187
Текст из файла (страница 187)
11-4В. К -канал УтгерЗвшусш. Ыавз. (РВВ Ш 1ВСВ) а) Изображение в плоскости мембраны. Канал состоит из восьми трансмембранных спиралей (две от каждой нз четырех идентичных субъединиц), образуя конус, широкий конец которого направлен в сторону внехлеточного пространства. Внутренние спирали конуса (более бледная окраска) выстнлают трансмембранный канал, а внешние спирали взаимодействуют с липидным бислоем.
Короткие сегменты от каждой субъединицы сходятся на открытом конце конуса, образуя фильтр селективности. б) при рассмотрении в направлении, перпендикулярном плоскости мембраньь видны четыре субъединипьь расположенные вокруг центрального канала, достаточно широкого для того, чтобы пропускать единичный ион К'. в) Схема К -канала в поперечном сечении; показаны структурные свойства, важные для работы канала (см.
также рис. 11-49). (576) Часть(. 11. Биологические мембраны и транспорт фических исследований. Благоларя этому удалось понять, каким образом канал работает. Этот бактериальный ионный канал по аминокислотпой последовательности родственный всем другим известным К'-каналам, вклк>чая потепциалзависимый К'-канал нейронов. Среди членов этого семейства белков наибольшее сходство аминокислотных последовательностей паблгодается в «области поры», которая содержит фильтр ионной селсктивности, позволяющий ионам К' (радиус 1,33 А) проходить в 10 000 раз быстрее, чем ионам Ха' (радиус 0,95 А), — со скоростью (около 10к ионов/с), что приближается к теоретическому пределу в случае неограниченной диффузии.
К'-капал состоит из четырех идентичных субъединиц, которые пронизывают мембрану и образуют конус внутри конуса, окружающего ионный канал, при этом широкий конец двойного конуса направлен во внеклеточное пространство (рис. 11-48). Каждая субъединица имеет дветрансмембранныеа-спирали,атакжетретью, более короткую спираль, которая принимает участие в формировании поры. Внешний конус образуется одной из трацсмембранных спиралей каждой субъединицы. Внутренний конус, образованный четырьмя другими трансмсмбраппыми спиралями, окружает ионный канал и поддерживает фильтр ионной селективности. И высокую ионную специфичность, и интенсивный поток ионов через капал можно объяснить на основании наших знаний о структуре канала На внешней и внутренней поверхностях плазматической мембраньг входы в канал содержат несколько отрицательно заряженных аминокислотных остатков, которые, вероятно, увеличивают локальную концентрацию катионов, таких как К' и )Ча .
Путь иона через мембрану начинается (на внутренней поверхности) через широкий вход, наполненный водой, где иои может сохранять свою гидратную оболочку. Дальнейшая стабилизация обусловлена наличием в области поры коротких а-спиралей от каждой субъединицы, при этом частичные отрицательные заря ты их электрических диполей «нацелены» на К' в канале. На расстоянии, составляющем около двух третей пути через мембрану, канал сужается в области фильтра селсктнвности, заставляя ион сбрасывать гндратирующие его молекулы воды. Атомы карбонильного кислорода в каркасе фильтра селективности замещают молекулы воды в гидратной оболочке, образуя серию совершенным образом скоординированных оболочек, через которую перемещается К . Это выгодное взаимодействие с фильтром невозможнодля иона)Ча', который слишком мал для того, чтобы вступить в контакт с потенциальными кислородными лигандами.
Именно благодаря преимущественной стабилизации К' в канале предпочтительна эта конформация, она выполняет функцию фильтра селсктивпости, но мутации, которые изменяют аминокислотные остатки в этом сайте белка, лишают канал ионной селсктивностн. Участки фильтра, ответственныс за связывание ионов К, устроены достаточно гибко, чтобы сужаться до размеров ионов )Ча', вхолящих в канал; при этом происходят конформационные изменения, в результате которых канал перекрывается.
На фильтре селективности расположены четыре потенциальных К'-связывающих центра, каждый образован из кислородной «ячейки», которая предоставляет лиганды для ионов К' (рис. 11-49). В кристаллической структуре Рис. 11-49. К'-связывающие сайты в поре селеитивности К'-иаиала. (РВВ?В 1595) Карбонильиые атомы кислорода (красиый цвет) пептидного остова в поре селективности «высовываются» в канал, взаимодействуя с проходящим ионом К' и стабилизируя его.
Эти лигаиды расположены самым оптимальным образом для того, чтобы взаимодействовать с каждым иэ четырех ионов К; ио не взаимодействовать с меньшими по размеру ионами Ма . Это преимущественное взаимодействие с К' является основой ионной селективности. Взаимное отталкивание между ионами К' приводит к тому, что одновременно бывают заняты только два иэ четырех центров (оба зеленых или оба голубых), и препятствует стремлению одиночного иона К' закрепиться иа одном сайте. Совместный эффект связывания К' с карбонильным кислородом и отталкивания между ионами К' гарантирует, что иои продолжит движение, изменяя свое положение эа время 10-100 нц и что отсутствуют большие энергетические барьеры длк прохождения ионом его пути через мембрану.
и Сенсор напряженна ВЗЫ Внп с внутренней стороны Открыто Закрыто 84 БЗ Рис. 11-50. Струнзура потеицналзависимых налиевых каналов. (РОВ ПЗ 2А79) Кристаллическая структура комплекса Кт1.2 (32 из мозга крысы отражает основное строение К'-канала (соответствует рис. 11-48) и всех дополнительных элементов, обеспечивающих чувствительность канала к изменениям мембранного потекциалаз четырех трансмембранных спиральных участков каждой субъединицы и четырех ()-субъединиц. Весь комплекс (вид в плоскости мембраны (а) и вид в плоскости, перпендикулярной мембране, при взгляде извне (6)) изображен, как на рис.
11-48, причем каждая субъединица имеет свой цвет, а каждая из четырех (3-субъединиц имеет тот же цвет, что и субъединиць с которой она связана. 6) Все трансмембранные спирали одной субъединицы (красной субъединицы) пронумерованы от 51 до Бб. Субъединицы 55 и Бб из каждой из четырех субъединиц образуют сам канал и соответствуют двум трансмембранным спиралям из каждой субъединицы на рис. 11-48. Спираль Б4 содержит консервативный остаток Агд и считается главным движущим элементом потенциалчувствительного механизма. а) Схеиа устройства потенциалзависимого канала с изображением центральной поры и дополнительных структур. обеспечивающих чувствительность канала к изменениям потенциала. Содержащая консервативный осщток АБл спираль 54 обозначена оранжевым цветом.
Для простоты изображения (3-субъединицы в данной проекции не показаны. Обычно трансмембранный электрический потенциал (отрицательный внутри клетки) воздеиствует на положительно заряженные боковые цепи остатка Агц в 54 со стороны цитоэояя. При деполяризации мембраны напряжение ослабевает, а при полном обращении мембранного потенциала 54 вытягивается во внеклеточное пространство. г) Эти перемещения 54 сопряжены с открытием и закрытием калиевого канала, который показан на рисунке как открытым, так и закрытым.
Хотя в закрытом канале присутствуют ионы К; дно поры со стороны цитозоля закрыто, что предотвращает прохождение потока ионов. аг БЗ БЗ 84 Е- БП Снаружм М ЙЩ 11.3 Транспорт веществ через иембраны [577] 15781 Часть 1. 11. Биологические мембраны и транспорт фильтра селективности видны два иона К, на расстоянии - 7,5 А лруг от друга, две молекулы воды занимают незаполненные позиции. Ионы К' проходят через фильтр «колонной по одному»; как раз их взаимное электростатическое отталкивание наиболее вероятно уравновешивает взаимодействие каждого иона с фильтром селективности и обеспечивает их движение.
Движение двух ионов К' является согласованным: сначала они занимают положения 1 и 3, затем перескакивают в положения 2 и 4 (рис. 11-48, о). Энергетическое различие ьчехгду этими двумя конфигурациями (1/3 и 2/4) очень мало. Энергетически пора сслективности не «череда холмов и долин», а плоская поверхность, которая илеальна для быстрого двюксния иона через канал. Структура канала, по-видимому, оптимизировалась в процессе эволюции и обеспечивает максимальные скорости потока и высокую специфичность. Потенциалзависимые калиевые каналы имеют более сложную структуру по сравнению с тем, что изображено на рис.
11-48, но основныс элементы те же. Например, потенциалзависимые каналы млекопитающих, относящиеся к семейству эгийт, представляют собой анионные каналы, аналогичные покааанному на рис. 11-48 бактериальному каналу, но солсржат дополнительные белковые домены, чувствнтельныс к мембранному потенциалу, которые перемещаются в ответ на изменение потенциала и при этом вызывают открытие или закрытие К'-канала (рис.
11-50). Наиболее важная трансмембранная спираль потснциалчувствительного домена калиевого канала из семейства 5ЬЙег содержит четыре остатка Агй. Положительныс заряды на этих остатках заставляют спираль перемещаться по мембране в ответ на изменение электрического поля (мембранного потенциала). Кроме того, в клетках есть ионные каналы, которые избирательно пропускают ионы )ча' или Саа', но не пропускают ионы К'.
В каждом случае способность избирательно пропускать тот или иной катион зависит от наличия в участке связывания кармана правильного размера (не слишком большого, но и пе слишком маленького) для размещения иона; кроме того, в этом кармане должны быть правильным образом ориентированы карбонильпые атомы кислорода, способные вытеснить гндратную оболочку иона. Такого соответствия можно достичь и с более мелкими молекулами, чем белки. Например, валнномицин (рис.
11-45) обладает выраженной специфичностью при связывании определенных ионов. Химики создали небольшие молекулы, которые с чрезвычайно высоким сродством связывают ионы лития (радиус 0,80 А), натрия (0,95 А). калия (1,33 А) или рубидия (1,48 А). Однако биологические структуры— канальные белки — не только специфическим образом соязыоагот ионы, но и переносит их через мембрану. Потенциалзависимые ионные каналы играют ключевую роль в работе нейронов Практически любая быстрая передача сигнала ьчежду нейронами и тканями (напримср, мышечной тканью) осуществляется посредством быстрого открытия и закрытия ионных каналов в плазматической мембране. Например, натрисвые каналы в плазматической мембране нейронов чувствуют мембранный потенциал и открываются или закрываются в ответ па его изменения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
