Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 210
Текст из файла (страница 210)
Две а-спирали каждой субъединицы наклонены, и все вместе они образуют конус, широкий конец которого располагается на внешней поверхности клетки, откуда ионы К' покидают канал. Полипептидная цепь, соединяющая две трансмембранные спирали, образует короткую а-спираль (поровую спираль) и петлю, которая выступает в широкую часть конуса и образует селективный фильтр. Селективные петли четырех субъединиц формируют короткую, жесткую, узкую пору, выстланную карбонильными атомами кислорода их полипептидных скелетов.
Поскольку селективные петли всех известных К'-каналов имеют сходные аминокнслотные последовательности, можно предположить, что они образуют близкие структуры. На кристаллической структуре видны два последовательно расположенных иона К' на расстоянии 0,8 нм один от другого. Предполагается, что взаимное отталкивание этих ионов способствует их проталкиванию через пору во внеклеточную жидкость. Структура селективного фильтра объясняет ионную селективность канала.
Ион К', для того чтобы войти в фильтр, должен лишиться почти всех связанных с ним молекул воды. Вместо них в поре он взаимодействует с карбонильными кислородами, выстилаюгцими фильтр; кислороды располагаются таким образом, чтобы как можно эффективнее разместить ион К'. Ион Ха', с другой стороны, не может войти в фильтр, поскольку карбонильные кислороды расположены слишком далеко от более маленького Ха+, чтобы компенсировать энергетические затраты, связанные с потерей воды при входе в канал (рис. 11.24). Структурные исследования К'-каналов и других каналов также дали некоторую информацию о том, как каналы могут открываться и закрываться. Эти воротные механизмы, по-видимому, включают в себя движение спиралей в мембране, приводящее к блокированию (в закрытом состоянии) и освобождению (в открытом состоянии) пути движения иона.
В зависимости от типа канала, спирали «ворот» могут наклоняться, вращаться или изгибаться. Структура закрытого К'-канала указывает на то, что за счет наклона внутренних спиралей пора на цитоплазматическом конце сокращается как диафрагма (рис. 11.25). Объемные гидрофобные боковые цепи аминокислот блокируют остающееся небольшое отверстие, препятствуя проникновению ионов. Большинство ионных каналов состоит из нескольких одинаковых субъединиц, каждая из которых вносит вклад в общую центральную пору.
Однако недавно расшифрованная структура С1-канала показала, что некоторые ионные каналы строятся совсем по-другому. Несмотря на то что этот белок является димером, состоящим из двух одинаковых субъединиц, каждая из субъединиц обладает собственной порой, через которую движутся ионы С1. В центре мембраны боковые цепи аминокислот образуют селективный фильтр, который концептуально сходен с фильтром К'-канала. Но, в отличие от последнего, здесь вклад вносят аминокислотные остатки различных частей белка, и их расположение лишено симметрии (рис. 11.26). $1З.
Ионные каналы и злекБринеСКиа Саайстаа Мембран 1035 Х 1 Ф а Ф О. о О 1 Ф СО Я ис СО 01 Ю л О Со СЧ н в с в 'а СЧ с с а Х а О. .С и' -'йа 'ах 1 о, ~о-~ Са 1 СС о а а а с а о и о Х си ф Я Б в Р а ЧС Ф ~й Х л а о, а Х х $~ Ф а а а Б 5 о Ф Б х а Х а о Хс с 5 с а с н 0 6 с в л о с Т н а СС а Чо О. Ф в с н а а о а 5 ва $ СС х ЛЛ О о Ф 0 а хФ ~ $ с а о с Х л Ф а Ф Х Б а а а о СС О и ~ ° Ч Х д о Х Х Я в с Ц о Б а р о 5 х о е .Ч Ф х о о о Со а Ф а Ф о Ф о сс О.
Х ° ' 'Ф М Х СС 3 о Ф 1 о Ф Х О х и .с х о Ч а а Ф а сх Ф 5Й а х с а х а ЕБ Х с 'л а 1 н в ф Ф н Б х л в О. л Ф х а х а х са а а Ф Чр о Х а Х а О л с о х ОЕ Х О а О 1 СС Т в Х с Ф н о о в Х О. а о а о х с ° о" л х 5 о р Х х н о а с Б с 1 о о а с Х Ф а $ хх Х 'Ф О. Э а Х с Х о .с ЧС Х 0 О а С1 а с а С1 л а а о Б о с х х с х с сЕ ,а О. ~. о а с Б л Х а о а и Х н % 0 Х о н Ф а о О Х а О 5 * а Ф а х а а СС Х с О Ф Со О о с х о+, С р Х О.
а. с о х о х х а а х х а л $ а Б Ф с с Б Ф а х. о С" о а а с ЧС *Х Х а в о. о с в н Я Х л с Ф с о а О с Х в а л а Ф и У а а а о с с и Х а л 'х О Х с в а. Б а х а х х о а Х ЧС о Б Х Ч Б о о х л Ф с Х Ф и х а с 5 Ф о в л Ф х о с Ч Чо а Я а Т а о а С~ с Ч Ф х Ч Х Х Ф н о а Ч Чо Ф С\ н а о— О. а а Ф Х сх а о с а. Х Ф Ч и .С а хо л х л Ха а а \с С и Ф сл о в х $ с а аср с сох Есн а 0 аа СС Н +„х с х о Б Б х с х х Х а а щ Ф а х о.
а с 5 а о л ~~ Ф Б н $ о ас а Ф Х Ф а СО л С~ о х а с ХФо У а л 1 с а а " ~ 5Ф о а Ф у Х Ф а а о в СС 1 л Х 5*5 Х с х о а а Х Ф аов а 1 Х а л с с ЧС х а и С Ф Ф т о в н Ф Т Х ц О. ООЗ л л х — р с о вф х Х о Б и о о а с~ и а Ф а а х и а о о .с с н Ф Ф Х. О СС С Ср Х о о О. с 0 о х о Й и Б х х % Ф о Ф с а % о о с с Ф Ф о ~ $ 1!)Зб '. Часть (К Внутренняя организация'клетки а) ион в вестибюле о о -о," ч:о б) ион в селективном фильтре Окн -'",~);;:: ' О- о Рис. 11.24.
Калиевая специфичность селективного фильтра К'-канала На рисунке в поперечном срезе показаны ионы К' и На' (а) в вестибюле и (б) в селективном фильтре поры. В вестибюле ионы гидратированы. В селективном фильтре они теряют свою воду, и карбонильные кислороды принимают дегидратированный ион К'. Дегидратацня иона К' требует энергии, которая точно возмещается за счет взаимодействия ионз с карбонильными кислородами, служащими заменой молекулам воды. Поскольку ион На' слишком мал для того, чтобы взаимодействовать с кислородами, он может войти в селективный фильтр, только затратив большое количество энергии. Таким образом, фильтр отбирает ионы К' с высокой специфичностью.
(Адаптировано из О. А. Ооу)е ет а!., 5сгелсе 28рл 69-77, 1998. С любезного разрешения издательства ААА5. ) внутренняя спираль ионная пора Рис. 11.25. Модель воротного механизма бактериального К'-канала. Показан поперечный срез канала. Для принятия закрытой конформации четыре внутренние трап смемб ранные спирали, образующие пору на цнтоплазматической стороне селективного фильтра (см. Рис. 11.23), меняют свое положение и закрывают цитоплазматический вход в канал. (Адаптировано из Е. Регото ет а!., 5с)елсе 285: 73-78, 1999. С любезного разрешения издательства ААА5.) 11З,ИОННЬНуКВИВЯЫ И И)Иктрсрмтав)всагойктеа ИЕИбраи 1()ЗУ а) ИОННЫЙ КДНДЛ ХЛОЮ б) ИОННЫЙ КДНДЛ КДЛИЯ две субъединицы четыре субъединицы М4 цитозоль Рис.
11.26. Сравнение архитектуры каналов О и КС а) О-канал представляет собой кдвуканальныйь димер, состоящий из двух одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит свою собственную проводящую ион пору. Вверху схематически показана внеклеточная поверхность канала и две одинаковые проводящие ионы поры. Внизу показан продольный срез одной субьединицьс (Чернея пунктнрная линия на верхнем рисунке показывает плоскость среза.) Субъединица прпдставляет собой единственную полипептидную цепь, состоящую из двух участков, которые, несмотря на свою идентичность, пересекают мембрану в противоположных направлениях (белые сгпрелко).
Каждый участок подключен к одной поровой спирали, ориентированной таким образом, что ее положительно заряженный конец направлен в сторону центрально расположенного селективного фильтра. Оба элемента, селективный фильтр и спиральные диполи, вносят вклад в селективность канала по отношению к отрицательно заряженным ионам С!. б) С другой стороны, К'-канал представляет собой тетрамер, состоящий из четырех одинаковых субъединиц, каждая из которых вносит вклад в центрально расположенную пору. Все четыре субьединицы одинаково ориентированы в мембране (белые стрелки). Отрицательно зарюкенные концы четырех поровых спиралей (по одной от каждой субъединицы] направлены в вестибюль и стабилизируют там положительный ион К' (также см.
Рис. 11.23). (Нижние рисунки на а и б адаптированы из а. Оивег ет а)., З)отоге 415к 287-294, 2002. С любезного разрешения издательства Масглгйап Роы)заегз 'стг(.) 11.3.5. Аквапорины проницаемы дпя воды, но непроницаемы ДЛЯ ИОНОВ Ранее мы упоминали, что прокариотические и эукариотические клетки в плаэматической мембране содержат водные каналы, или акванорины, поэволяюшие воде пересекать мембрану, Аквапоринов особенно много в клетках, которым необходимо быстро транспортировать воду, например в эпителиальных клетках н клетках почек.
1038' Часть И. Внутренняя органиаацня клетки ' Аквапорины решают обратную стоящей перед ионными каналами задачу. Для того чтобы не нарушать ионные градиенты через мембрану, они должны бы стро пропускать молекулы воды, но полностью блокировать прохождение ионов. Кристаллическая структура аквапоринов позволила понять, как они достигают такой удивительной селективности. В каналах располагается узкая пора, позволяющая молекулам воды пересекать мембрану друг за другом вдоль цепочки карбонильных кислородов, выстилающих одну сторону поры (рис. ((.27, а и бг. Другую сторону поры вьютилают гидрофобные аминокислоты.
Пора слишком узка для входа гидра тированных ионов, а на дегидратацию потребовалось бы слишком много энергии, поскольку гидрог)юбная стенка поры не может взаимодействовать с дегидратиро йгг, ьгнт Н' Е)() ( ь(й,:. '+ Н' "-.. и(б,,*г в) и ф~ ЦнтоЗОЛЬ ' ,~ ~ ,4:.з ":"ф ' М ~~ М: а) "'С г) Рис. 11.27. Структура аквапоринов. а) Ленточная диаграмма монамера аквапарина.
В мембране аквэпорины объединяются в тетрамеры, каждый мономер которых имеет пору в центре (не показано). 6) Пространственная модель мономерэ разрезанного и открытого как книга аквапорина. Видна внутренняя пора. Гидрофильные аминокислоты, выстилающие пору, окрашены красным и синим, гидрофобные — желтым. дминокислоты, не участвующие в образовании поры, показаны зеленым. Обратите внимание, что одна сторона поры состоит преимущественно из гидрофильных аминокислот, образующих короткоживущие водородные связи с молекулами воды; эти связи способствуют ориентации и выстраиванию в адин ряд транспортируемых через мембрану молекул воды. С другой стороны, сторона поры, лишенная таких аминокислот, создает гидрофобный желоб, не допускающий образования водородных связей. в и г) Модель, объясняющая, почему аквапорины непроницаемы для Н'.
в) В воде Н очень быстро диффундирует, переходя с одной молекулы воды на другую. г) Два стратегически расположенных в центре каждой аквапориновой поры аспарагина способствуют замедлению движения центральной молекулы воды таким образом, что обе валентности ее кислорода становятся занятыми. В результате Н' не способен к ней присоединиться. (а и б, адаптировано из В. М. 5тгоод ес а!., Сигг. Оргп.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
