Часть 3 (1129751), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Это означает, например, что в случаесферической клетки диаметром 10 мкм для изменения на 100 мВ ее мембранного потенциала из клеткидолжно выйти лишь около 1/100 000 всех ионов K+ цитозоля.Рис. 11.23. Структура бактериального K+-канала. (а) Показаны две трансмембранные α-спирали двух из четырех одинаковых субъединиц. С цитоплазматической стороны пора открывает проход в центр мембраны. Он ускоряет транспорт, позволяя ионам K+ оставаться гидратированными, несмотря на точто они уже прошли половину мембраны. Узкий селективный фильтр связывает вестибюль со внешней средой.
Карбонильные кислороды выстилаютстенки селективного фильтра и образуют временные сайты связывания для дегидратированных ионов K+. Положение ионов K+ в поре определено путемвымачивания кристаллов канального белка в растворе, содержащем ионы рубидия, которые обладают большей электронной плотностью, но по размерулишь немного превышают ионы K+; положение ионов можно рассчитать по различиям в дифракционных картинах, полученных с ионами K+ и ионамирубидия в канале. Два иона K+ занимают сайты в селективном фильтре, тогда как третий K+ располагается в центре вестибюля, где он стабилизируетсяэлектростатическими взаимодействиями с более отрицательно заряженными концами поровых спиралей.
Концы четырех поровых спиралей (из которыхпоказаны только две) направляются точно в центр вестибюля, таким образом отправляя ионы K+ в селективный фильтр. Вблизи входа и выхода каналасосредоточены отрицательно заряженные аминокислоты (обозначенные красными знаками минус). (б) Благодаря полярности водородных связей (красные), соединяющих соседние витки α-спирали, каждая α-спираль обладает электрическим диполем вдоль своей оси с более отрицательно заряженнымC-концом (δ-) и более положительно заряженным N-концом (δ+). (а, адаптировано из D. A. Doyle et al., Science 280: 69–77, 1998. С любезного разрешенияиздательства AAAS.)1152Часть IV. Внутренняя организация клеткиГлава 11.
Мембранный транспорт малых молекул 1153проводимости несовместима с наличием у канала селективных сайтов связыванияK+ с высоким сродством, потому что связывание ионов K+ с такими сайтами значительно замедлило бы их перенос.Тайну разгадали, когда с помощью рентгеноструктурного анализа расшифровалиструктуру бактериального K+-канала. Канал состоит из четырех одинаковых трансмембранных субъединиц, которые вместе образуют пору в мембране (рис. 11.23).Отрицательно заряженные аминокислоты, расположенные на цитоплазматическомотверстии поры, притягивают катионы и отталкивают анионы, что делает каналкатион-селективным. Две α-спирали каждой субъединицы наклонены, и все вместеони образуют конус, широкий конец которого располагается на внешней поверхности клетки, откуда ионы K+ покидают канал. Полипептидная цепь, соединяющаядве трансмембранные спирали, образует короткую α-спираль (поровую спираль)и петлю, которая выступает в широкую часть конуса и образует селективныйфильтр.
Селективные петли четырех субъединиц формируют короткую, жесткую,узкую пору, выстланную карбонильными атомами кислорода их полипептидныхскелетов. Поскольку селективные петли всех известных K+-каналов имеют сходные аминокислотные последовательности, можно предположить, что они образуютблизкие структуры. На кристаллической структуре видны два последовательнорасположенных иона K+ на расстоянии 0,8 нм один от другого.
Предполагается,что взаимное отталкивание этих ионов способствует их проталкиванию через поруво внеклеточную жидкость.Структура селективного фильтра объясняет ионную селективность канала.Ион K+, для того чтобы войти в фильтр, должен лишиться почти всех связанныхс ним молекул воды. Вместо них в поре он взаимодействует с карбонильными кислородами, выстилающими фильтр; кислороды располагаются таким образом, чтобыкак можно эффективнее разместить ион K+. Ион Na+, с другой стороны, не можетвойти в фильтр, поскольку карбонильные кислороды расположены слишком далекоот более маленького Na+, чтобы компенсировать энергетические затраты, связанныес потерей воды при входе в канал (рис. 11.24).Структурные исследования K+-каналов и других каналов также дали некоторуюинформацию о том, как каналы могут открываться и закрываться.
Эти воротныемеханизмы, по-видимому, включают в себя движение спиралей в мембране, приводящее к блокированию (в закрытом состоянии) и освобождению (в открытомсостоянии) пути движения иона. В зависимости от типа канала, спирали «ворот»могут наклоняться, вращаться или изгибаться. Структура закрытого K+-каналауказывает на то, что за счет наклона внутренних спиралей пора на цитоплазматическом конце сокращается как диафрагма (рис. 11.25). Объемные гидрофобныебоковые цепи аминокислот блокируют остающееся небольшое отверстие, препятствуяпроникновению ионов.Большинство ионных каналов состоит из нескольких одинаковых субъединиц,каждая из которых вносит вклад в общую центральную пору. Однако недавно расшифрованная структура Cl-канала показала, что некоторые ионные каналы строятсясовсем по-другому. Несмотря на то что этот белок является димером, состоящимиз двух одинаковых субъединиц, каждая из субъединиц обладает собственной порой, через которую движутся ионы Cl.
В центре мембраны боковые цепи аминокислот образуют селективный фильтр, который концептуально сходен с фильтромK+-канала. Но, в отличие от последнего, здесь вклад вносят аминокислотные остаткиразличных частей белка, и их расположение лишено симметрии (рис. 11.26).1154Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 11.24.
Калиевая специфичность селективного фильтра K+-канала. На рисунке в поперечномсрезе показаны ионы K+ и Na+ (а) в вестибюле и (б) в селективном фильтре поры. В вестибюле ионыгидратированы. В селективном фильтре они теряют свою воду, и карбонильные кислороды принимаютдегидратированный ион K+. Дегидратация иона K+ требует энергии, которая точно возмещается за счетвзаимодействия иона с карбонильными кислородами, служащими заменой молекулам воды. Посколькуион Na+ слишком мал для того, чтобы взаимодействовать с кислородами, он может войти в селективный фильтр, только затратив большое количество энергии. Таким образом, фильтр отбирает ионы K+с высокой специфичностью.
(Адаптировано из D. A. Doyle et al., Science 280: 69–77, 1998. С любезногоразрешения издательства AAAS.)Рис. 11.25. Модель воротного механизма бактериального K+-канала. Показан поперечный срез канала.Для принятия закрытой конформации четыре внутренние трансмембранные спирали, образующие поруна цитоплазматической стороне селективного фильтра (см. рис. 11.23), меняют свое положение и закрывают цитоплазматический вход в канал. (Адаптировано из E. Perozo et al., Science 285: 73–78, 1999.С любезного разрешения издательства AAAS.)Глава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1155Рис. 11.26. Сравнение архитектуры каналов Cl и K+. (а) Cl-канал представляет собой «двуканальный»димер, состоящий из двух одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит свою собственную проводящую ион пору.
Вверху схематически показана внеклеточная поверхность канала и две одинаковыепроводящие ионы поры. Внизу показан продольный срез одной субъединицы. (Черная пунктирная линияна верхнем рисунке показывает плоскость среза.) Субъединица представляет собой единственную полипептидную цепь, состоящую из двух участков, которые, несмотря на свою идентичность, пересекаютмембрану в противоположных направлениях (белые стрелки). Каждый участок подключен к однойпоровой спирали, ориентированной таким образом, что ее положительно заряженный конец направлен в сторону центрально расположенного селективного фильтра.
Оба элемента, селективный фильтри спиральные диполи, вносят вклад в селективность канала по отношению к отрицательно заряженнымионам Cl. (б) С другой стороны, K+-канал представляет собой тетрамер, состоящий из четырех одинаковыхсубъединиц, каждая из которых вносит вклад в центрально расположенную пору.
Все четыре субъединицы одинаково ориентированы в мембране (белые стрелки). Отрицательно заряженные концы четырехпоровых спиралей (по одной от каждой субъединицы) направлены в вестибюль и стабилизируют тамположительный ион K+ (также см. рис. 11.23). (Нижние рисунки на а и б адаптированы из R. Dutzler et al.,Nature 415: 287–294, 2002. С любезного разрешения издательства Macmillan Publishers Ltd.)11.3.5. Аквапорины проницаемы для воды, но непроницаемыдля ионовРанее мы упоминали, что прокариотические и эукариотические клетки в плазматической мембране содержат водные каналы, или аквапорины, позволяющиеводе пересекать мембрану.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
