Кіріспе

Транспорттық ақуыздар тұқымы. Циклдік нуклеотидтермен иондық байланысқан арналар немесе CNG арналары – циклдік нуклеотидтердің байланысуына жауап ретінде жұмыс істейтін иондық арналар. CNG арналары – әртүрлі тіндер мен жасушалардың мембраналарында кездесетін, катиондарға қатысты таңдамалы емес арналар, олар сезімдік трандукция және жасушалық дамуда маңызды рөл атқарады. Олардың жұмысы циклдік нуклеотидтердің (cGMP және cAMP) байланысуымен және деполяризация немесе гиперполяризация оқиғасының үйлесімді нәтижесі болуы мүмкін. Алғаш рет көздің торлық қабатын құрайтын жасушаларда табылған CNG арналары, жануарлар мен өсімдіктер әлеміндегі көптеген жасуша түрлерінде кездеседі. CNG арналарының құрылысы өте күрделі, олардың жұмысында маңызды рөл атқаратын әртүрлі суббірліктер мен домендерден тұрады. CNG арналары көру және иіс сезу сияқты түрлі сезімдік жолдардың, сондай-ақ гормон бөлінуі және химиотаксис сияқты маңызды жасушалық функциялардың жұмысына қатысады. CNG арналары прокариоттарда, оның ішінде көптеген спирохеталарда да кездеседі, бірақ олардың бактерия физиологиясындағы нақты қызметі әлі толық анықталған жоқ.

Ашылу

СНГ арналарының табылуы ретиналық фоторецепторлардағы жауаптарды қамтамасыз ететін жасушаішілік хабаршылардың табылуымен байланысты. Олардың табылуына дейін циклдік нуклеотидтер фосфорилирлеу процесінде қатысады деп есептелген. 1985 жылы бақаның жарыққа бейімделген тор қабығын зерттеу арқылы cGMP таяқша тәрізді ион арналарының жарыққа тәуелді жауабын тікелей белсендіре алатыны анықталды. СНГ арналары конус тәрізді фоторецепторларда, иіс сезу нейрондарының химиялық сезімтал кірпіктерінде және сопақ безде де табылды. Тазартылған ақуыздан аминоқышқылдарды анықтағаннан кейін СНГ арналарының клондалуы және функционалдық экспрессиясы жүзеге асырылды. Молекулалық клондау көптеген тіндерде ұқсас арналарды анықтауға мүмкіндік берді. 2000 жылы ғалымдар егеуқұйрықтың тор қабығын және молекулалық клондауды пайдаланып, арнаның жаңа CNG6 кішібірлігін табу үшін зерттеулер жүргізді.

Функция

CNG арналары торлы қабықтың фоторецепторлары мен иіс рецепторлық нейрондарының сигналдарды беру жолында маңызды рөл атқарады. Олар циклдік нуклеотидтермен тікелей белсендіріледі, ал әрбір арнаны белсендіру үшін шамамен 4 циклдік нуклеотид қажет. CNG арналары таңдаулы емес, және олар көптеген сілтілі иондардың жасушаға кіруіне немесе CNG арналарын экспрессиялейтін жасуша мембранасынан шығуына мүмкіндік береді. Иондардың ағыны деполяризацияға немесе гиперполяризацияға алып келуі мүмкін. CNG арналары тек cAMP немесе cGMP арқылы, немесе кейде екі cNMP-нің қосындысы арқылы белсендіріледі, ал кейбір арналар басқаларына қарағанда селективтірек. Бұл арналардың активтілігі кернеуге аз тәуелді болғанымен, олар кернеуге тәуелді арналар саналады. Кальций, кальмодулин және фосфорилендіру CNG арналарының ашылуын модуляциялайды.

Кескесік

Пордың құрылымы P циклдері бар басқа иондық каналдарға ұқсас. P циклі пордың мембранасына сыртқы жағынан кіріп, ішкі жағынан шығады. P циклі альфа спираль түрінде кіріп, орамсыз талшық түрінде шығады. Ішкі мембрананы жабатын спиральдар каналдың ішін қаптайды. Олар сондай-ақ кіреберісті белгілейтін 6 спиральдік жиынтықты құрайды. Порды ашу үшін ішкі 6 спиральдік жиынтықта конформациялық өзгеріс болуы тиіс.

С-линкер

C-линкер – CNBD-ні S6 сегментімен байланыстыратын аймақ. C-линкер аймағы арнаның кішібірліктері арасындағы контактіге үлес қосады, сондай-ақ тетрамеризацияны, яғни тетрамерлердің қалыптасуын қамтамасыз етеді. ЖГТ арналарын модуляциялауда рөл атқаратын көптеген қалдықтар бар. Бұл процесте никель, мырыш, мыс және магний сияқты металдар қолданылады. C-линкер аймағы лигандты тесік ашумен байланыстыруға қатысады. C-линкер аймағы N-терминалды аймақтармен дисульфидтік байланыстар құрайды. Дисульфидтік байланыстар арнаның функциясын өзгертеді, сондықтан олар үшіншілік құрылымға жақын орналасқан. Дисульфидтік байланыстар жабық күйге қарағанда ашық күйдің бос энергиясын төмендетеді. C-линкер аймағындағы спецификалық цистеин қалдығы C481 байланыс доменінен бірнеше аминқышқылы қашықтықта орналасқан. Жабық күйде C481 реакцияға қатыспайды; C481 арнаның ашылуы үшін қолжетімді болуы үшін конформациялық өзгеріске ұшырауы керек. Дисульфидтік байланыстар көршілес кішібірліктер мен C481 арасында қалыптасады. Сонымен қатар, C-линкер аймағының N-терминалында C35 цистеин қалдығы бар, ол екі C481 қалдығына жете алады, бұл C481-C481 байланысына қарағанда жақсы дисульфидтік байланыс құрайды. CNG арналары CNGA1 деп аталатын альфа-кішібірліктен және CNGB1 бета-кішібірліктен тұрады. Альфа-кішібірліктің бір ерекшелігі – ол өздігінен функционалдық арнаны, гомотетрамерлік арнаны құра алады. Бұл гомотетрамерлік арна ғылыми қызығушылық тудыруы мүмкін, өйткені оны лигандты байланыстыру сипаты мен белгілі бір арнаның таңдаулылығын одан әрі түсіну үшін пайдалануға болады. CNG арналарын кодтайтын қосымша гендер Caenorhabditis elegans және Drosophila melanogaster-ден клондалды. CNG арнасының CNGA1 кішібірлігі, бұрын тағанның α-кішібірлігі деп аталатын, таған фоторецепторларында экспрессияланды және Xenopus ооциттерінде немесе адам эмбрионалды бүйрек жасушаларында (HEK293) экспрессияланғанда cGMP-мен ашылатын функционалдық арналарды өндірді. Адамдарда CNGA1 генінің мутациясы ретинит пигментозаның аутосомдық рецессивті түріне, соқырлықтың дегенеративті түріне әкеледі. CNGB1, бұрын тағанның β-кішібірлігі деп аталатын, таған арнасының екінші кішібірлігі болып табылады. CNGA1-ден айырмашылығы, CNGB1 кішібірліктері жеке экспрессияланғанда функционалдық CNG арналарын өндірмейді, бірақ CNGA1 және CNGB1 кішібірліктерінің бірлескен экспрессиясы модуляциясы, өткізу қабілеті, фармакологиясы және циклдік нуклеотидтік ерекшелігі аналық арналарға ұқсас гетеромерлік арналарды өндіреді. Омыртқасыздарда CNG арнасының CNG P1 деп аталатын кішібірлігі D. melanogaster-ден клондалды және антенналарда және көру жүйесінде экспрессияланады, бұл CNG арналары омыртқасыздарда жарық трандукциясына байланысты болуы мүмкін екенін көрсетеді. D. melanogaster-ден клондалған CNGL деп аталатын екінші CNG-ге ұқсас кішібірлік мида экспрессияланғаны анықталды. C. elegans-та екі CNG арнасының кішібірліктері, Tax 2 және Tax 4 клондалды және олар C. elegans-та кейбір сезім нейрондарының химиосенсациясы, термосенсациясы және қалыпты аксондық өсуіне жауапты.

Кооперативтік және кооперативтік емес белсендіру

СНГ арналары мен лиганд концентрациясы арасындағы тік байланыс кем дегенде екі немесе үш циклдік нуклеотид қажет екенін көрсетеді. Арнаның жабық күйден ашық күйге өтуі үшін екінші лиганд қажет деп саналады. Үшінші және төртінші лигандтар байланғанда, арнаның ашық күйі тұрақтанады.

Фоторецепторлар

Жарық болмаған жағдайда cGMP фоторецепторлардағы CNG каналдарына байланысады. Бұл байланыс каналдардың ашылуына себеп болады, нәтижесінде натрий (Na+) және кальций (Ca2+) иондары жасушаға ағып кіріп, фоторецептордың сыртқы сегментінің деполяризациясына әкеледі. Иондардың осы деполяризациялық ағыны "қараңғы ток" деп аталады. Көздің торлық қабаты жарықты анықтағанда, фототрансдукция каскады деп аталатын реакция жүзеге асады. Бұл сигнал трандукциясы жолы, ол cGMP-ні 5’ GMP-ге гидролиздейтін фосфодиэстераза ферментін белсендіріп, cGMP концентрациясын төмендетеді. cGMP болмағанда, фоторецепторлардағы CNG каналдары жабылып, аталған "қараңғы ток" ағынының алдын алады. Бұл өз кезегінде фоторецептордың сыртқы сегментінің гиперполяризациясына әкеліп, әрекет потенциалының таралуына және глутаматтың бөлінуіне кедерес жасайды.

Пигментті ретинитис

Пигментті ретинит (ПР) – бұл пациенттерде таяқша және конус фоторецепторларының дегенерациясына алып келетін генетикалық ауру. Көру қабілетінің жоғалуы пациенттің шеткі көрісінен басталып, орталық көру өрісіне қарай прогрессірлейді, нәтижесінде орта жасқа келгенде пациент толық соқыр болады. ПР-мен ауыратын науқастардың шамамен 1%-ында cGMP альфа-суббөлімінде мутациялар кездеседі. Сегіз мутация анықталды, олардың төртеуі – мағынасыз мутациялар, біреуі – транскрипциялық бірліктің басым бөлігін қамтитын жойылған мутация. Қалған үшеуі – қате мағыналы мутациялар және жақтаулық мутациялар, олар С-терминалдағы аминқышқылдар тізбегінің қысқаруына әкеледі. cGMP-ға селективті катиондық каналдардың жоқтығы фоторецепторлардың деградациясына не себеп болатыны әлі анықталған жоқ. ПР-ді тудыратын мутациялар родопсин генінде, сондай-ақ таяқша фототрансдукция каскадарын кодтайтын таяқша фосфодиэстеразасының альфа және бета суббөлімдерінде де табылды. Бұл суббөлімдердің мутациясы жанама түрде таяқша cGMP-ға селективті каналдың жұмысын нашарлатады, бұл фоторецепторлардың деградациясының ортақ механизмі бар екенін көрсетеді.

Жүрек сергітуші жасушалар

Жүйке жүйесінде, жүректе және кейбір ішкі органдарда жасушалар циклдік нуклеотидтермен ашылатын арналарды қамтиды, олар органның ырғағын анықтайды. Бұл арналар, ресми түрде гиперполяризацияны белсендіретін циклдік нуклеотидтермен ашылатын арналар (HCN арналары) деп аталады, сонымен қатар осы маңызды функциясының арқасында "кардиостимуляторлық арналар" деп те аталады. Атауынан көрініп тұрғандай, олар гиперполяризация жағдайында ашылады және деполяризация кезінде жабылады. Синоатриалдық түйінде (және, қосалқы ретінде, атриовентрикулярлық түйінде) бұл мәні – жүрек әр соққыдан кейін қайта орналасқанда немесе гиперполяризацияланғанда, HCN арналары ашылады, бұл оң иондардың жасушаға (сонымен аталатын ерекше ток) күшті ағынын қамтамасыз етеді, содан кейін тағы бір деполяризация оқиғасы мен одан кейінгі жүрек жиырылуы басталады. Осылайша жүрек өздігінен қозғалу қабілетіне ие болады. HCN арнасымен бірге жұмыс істейтін негізгі циклдік нуклеотид – cAMP.

Иіс сезу нейрондары

Иіс сезу нейрондарының (OSN) иіс заттарға жауаптарының көбісі CNG арналары арқылы жүзеге асады. Иіс заты химиялық сезімтал кірпікше мембранасындағы белгілі рецепторына байланысқанда, ол G белгісін активтендіреді, бұл аденоилциклаза (AC) ферментін активтендіретін келесі реакцияны тудырады. Бұл фермент OSN ішінде cAMP концентрациясының артуына жауап береді. cAMP OSN мембранасындағы CNG арналарына байланысып, оларды ашады және жасушаны Ca2+ үшін жоғары өткізгіш етеді. Кальций иондары жасушаға ағып, деполяризация тудырады. Барлық басқа жасуша түрлері сияқты, OSN-дегі CNG арналары да Na+ иондарының жасушаға ағып түсуіне мүмкіндік береді. Сонымен қатар, жасуша ішіндегі Ca2+ концентрациясының жоғарылауы Ca2+ тәуелді хлорид (Cl−) арналарын активтендіреді, бұл жасуша ішіндегі Cl− иондарының деполяризация оқиғасын күшейте отырып, жасушадан шығуына себеп болады. Бұл деполяризация иіс затының қабылдануын көрсететін әрекет потенциалын тудырады. cAMP-мен ашылатын иондық арналардан басқа, OSN-нің шағын тобы CNGA3 суббірлігін қамтитын cGMP-ге селективті CNG арналарына ие. Торлық және бүйректік кДНҚ арасындағы айырмашылықтар осы екі тіндердегі CNG арналарының функционалдық айырмашылықтарына ықпал етеді. CNG арналары өсімдік иммунитетінде және патогендерге немесе сыртқы жұқпалы агенттерге жауап беруде маңызды рөл атқарады. Олар өсімдіктердегі апоптоз процесіне де қатысады. CNG иондық арналары өсімдіктерде тозаңның дамуына қатысқан деп саналады, бірақ оның осы механизмдегі нақты рөлі әлі толыққанды белгілі емес. Сүтқоректілердің CNG арналары сияқты, циклдік нуклеотидтердің CNBD-ге байланысуы арнаның белсенділігін реттейді және арнаның конформациялық күйін өзгертеді. Алайда, бұл арналар спирохеталар мен лептоспиралар түрінде жақында ғана анықталды.

Қазіргі және болашақ зерттеулер

Зерттеушілер көру және иіс сезу қабілетіндегі CNG иондық арналарының функцияларына қатысты көптеген маңызды сұрақтарға жауап берді. Басқа физиологиялық салаларда CNG арналарының рөлі нашар анықталған. Технологиялық прогресс қазір осы механизмдерді түсінуге көбірек мүмкіндіктер береді. Ғалымдар DAG-нің тежелу кезінде CNG арнасымен тікелей байланысатыны жөнінде пікір білдіруде. DAG каналдың трансмембраналық домендеріне енуі мүмкін. Сонымен қатар, DAG арна мен липидтік қабат арасындағы интерфейске енуі де мүмкін. DAG-нің тежеу механизмінің молекулалық негізі әлі толыққанды түсініксіз.