Кіріспе

Мембрана арқылы натрий иондарын ішке және сыртқа өткізуге мүмкіндік беретін трансмембраналық белок. Натрий арналары – жасуша мембранасы арқылы натрий иондарын (Na+) өткізетін иондық арналарды құрайтын интегралды мембраналық белоктар. Олар катиондық арналардың суперавтобасына жатады.

Функция

Қоздырғыш жасушалар, мысалы, нейрондар, миоциттер және глияның кейбір түрлерінде натрий каналдары әрекеттік потенциалдардың өсу фазасы үшін жауапты болады. Бұл каналдар үш түрлі күйден өтеді: тынығу, белсенді және белсенді емес күйлер. Тынығу және белсенді емес күйлер иондардың каналдар арқылы өтуіне мүмкіндік бермесе де, олардың құрылымдық конформациясы бойынша айырмашылықтар бар.

Таңдаушылық

Натрий арналары жасуша мембраналары арқылы иондарды тасымалдауда жоғары селективтілікке ие. Натрий ионына қатысты жоғары селективтілікке әртүрлі жолдармен қол жеткізіледі. Барлық жағдайларда натрий ионы үлкен молекуланың ішіндегі белгілі бір өлшемдегі қуысқа қапталған болады.

Құрылымы

Натрий арналары бета-бөлімшелер сияқты қосымша ақуыздармен байланысатын үлкен альфа-бөлімшелерден тұрады. Альфа-бөлімше арнаның негізгі құраушысы болып табылады және өздігінен функционалды. Клетка альфа-бөлімше ақуызын экспрессиялағанда, бета-бөлімшелер немесе басқа белгілі модуляциялық ақуыздар экспрессияланбаған жағдайда да, Na+ иондарын кернеуге тәуелді түрде өткізетін жасуша мембранасында тесік құра алады. Қосымша ақуыздар α-бөлімшелермен біріккенде, түзілген кешен өзгерген кернеуге тәуелділік және жасушалық орналасуын көрсете алады. Альфа-бөлімше I-IV деп белгіленген төрт қайталанатын доменнен тұрады, олардың әрқайсысында S1-S6 деп белгіленген алты мембраналық сегмент бар. Жоғары сақталған S4 сегменті арнаның кернеу сенсоры ретінде қызмет етеді. Бұл арнаның кернеуге сезімталдығы әр үшінші позицияда орналасқан оң аминокислоталарға байланысты. Трансмембраналық кернеудің өзгеруімен стимулдасқанда, бұл сегмент жасуша мембранасының сыртқы жағына қарай жылжиды, арнаның иондарға өткізгіш болуына мүмкіндік береді. Иондар орталық тесік қуысы арқылы өткізіледі, ол екі негізгі аймақтан тұрады. Тесіктің сыртқы (клеткадан тысқа жақын) бөлігі төрт доменнің "P циклдерімен" (S5 және S6 сегменттері арасындағы аймақ) қалыптасады. Бұл аймақ тесіктің ең тар бөлігі болып табылады және оның иондық таңдаулылығына жауапты. Тесіктің ішкі (цитоплазмалыққа жақын) бөлігі – тесік қақпасы, ол төрт доменнің біріктірілген S5 және S6 сегменттерімен құралады. Тесік доменінде сондай-ақ тесік осіне перпендикуляр жүретін бүйірлік туннельдер немесе терезелер бар. Орталық қуысты мембранамен байланыстыратын бұл терезелер дәрілік заттардың қолжетімділігі үшін маңызды деп саналады. Сүтқоректілердің натрий арналарында III және IV домендерді байланыстыратын аймақ та арнаның жұмысы үшін маңызды. Бұл DIII-IV байланысы арна ашылғаннан кейін тесік қақпасын жабып, оның белсенділігін тоқтатуға жауапты.

Қақпалардың мінез-құлқын модельдеу

Na+ арналарының уақытша мінез-құлқын Марков схемасы немесе Ходжкин-Хаксли түріндегі формализм арқылы модельдеуге болады. Алғашқы схемада әр арна ерекше күйде болады, ал күйлер арасындағы өтулерді сипаттайтын дифференциалдық теңдеулер қолданылады; екіншісінде арналар үш тәуелсіз қақпалы айнымалылардың әсеріне ұшырайтын популяция ретінде қарастырылады. Осы айнымалылардың әрқайсысы 1 (иондарға толық өткізгіш) және 0 (иондарға өткізгіш емес) арасындағы мәнді қабылдай алады, ал осы айнымалылардың көбейтіндісі өткізгіш арналардың процентін көрсетеді. Ходжкин-Хаксли моделінің Марков моделімен эквивалентті екенін көрсетуге болады.

Басқа иондарға өткізбейтіндігі

Натрий арналарының қуысы теріс зарядталған аминқышқылдарының қалдықтарынан тұратын селективті сүзгіге ие, ол оң Na+ ионын тартады және хлорид сияқты теріс зарядталған иондарды өткізбейді. Катиондар 0,3х0,5 нм ендігі қуыстың тарылған бөлігіне ағып өтеді, бұл су молекуласымен байланысқан бір Na+ ионының өтуіне ғана жеткілікті. Үлкен K+ ионы осы жерден өте алмайды. Әртүрлі мөлшердегі иондар қуыстың қабырғасындағы теріс зарядталған глутамин қышқылының қалдықтарымен тиімді өзара әрекеттесе алмайды.

Түрлілігі

Кернеуге сезімтал натрий арналары әдетте иондық өткізгіш тесігін құрайтын альфа-бөлімшеден және арнаның ашылу-жабылуын реттеу сияқты бірнеше функциясы бар бір-екі бета-бөлімшеден тұрады. Альфа-бөлімшенің ғана экспрессиясы функционалды арнаны жасау үшін жеткілікті.

Натрийдің ағып кету арнасы (NALCN)

Натрийдің ағу арналары кернеуге немесе лигандқа жауап тартпайды. Олар әрқашан ашық күйде болады немесе нейронның тынығу мембраналық потенциалын реттеу үшін үнемі шағын фондық ток өткізеді.

Құрылымдық және функционалдық айырмашылықтар

Басқа натрий арналары сияқты негізгі құрылымымен сәйкес келсе де, NALCN кернеу өзгерістеріне сезімтал емес. NALCN-нің кернеуге сезімтал S4 трансмембраналық доменінде оң зарядталған аминқышқылдарының саны аз (кернеуге жабық каналдың 21-інің орнына 13), бұл оның кернеуге сезімтал еместігін түсіндіруі мүмкін. Р-субстанциясы және нейротензин екеуі де өздерінің GPCR арқылы (байланысты G ақуыздарына тәуелсіз) Src отбасылық киназаларын белсендіреді, бұл өз кезегінде UNC80 белсенділігі арқылы NALCN өткізгіштігін арттырады. Ацетилхолин де М3 мускариндік ацетилхолин рецепторлары арқылы NALCN белсенділігін арттыра алады. Сыртқы ортадағы Ca2+ деңгейінің жоғарылауы UNC80-ді тежейтін CaSR-ді белсендіре отырып, NALCN өткізгіштігін төмендетеді.

Белсенді кешен

NALCN кешендері UNC79, UNC80 және FAM155A ақуыздарымен байланысады. UNC79 NALCN мембранасының тұрақтылығымен және UNC80-мен байланысымен байланысты болып көрінеді. NALCN-ның мутациялары бірнеше ауыр даму бұзылыстарымен және жатыр мойны дистониясымен де байланысты. Шизофрения және екіполярлы бұзылулар да NALCN мутацияларымен байланысты.

рН модуляциясы

Қан мен тіндердің pH-ының өзгеруі физиологиялық және патофизиологиялық жағдайлармен бірге жүреді, мысалы, физикалық жаттығулар, жүрек ишемиясы, ишемиялық инсульт және кокаин қолдану. Бұл жағдайлар натрий арналарының мутацияларын тасымалдаушыларда электрлік аурулардың симптомдарын тудыратыны белгілі. Протондар натрий арнасының ашылу-жабылу механизміне әртүрлі өзгерістер енгізеді, бұл көбінесе уақытша натрий тогының амплитудасының төмендеуіне және тұрақты тоқтарды өткізетін, белсенділенбейтін арналардың үлесінің артуына алып келеді. Бұл әсерлер нейрондық, қаңқа бұлшық еттері мен жүрек тініндегі ауру тудыратын мутанттармен ортақ және натрий арналарына протонға сезімталдығы жоғары мутанттарда күшейе алады, бұл электрлік аурудың жедел симптомдарын тудыруда протондардың ролін көрсетеді.

Протон блогының молекулалық механизмдері

Кардиомиоциттерден алынған бір арналы деректер көрсеткендей, протонтар жеке натрий арналарының өткізгіштігін төмендетуі мүмкін. Натрий арнасының таңдау сүзгісі төрт функционалдық доменнің төрт тесік шеңберінің әрқайсысындағы бір қалдықтан тұрады. Бұл төрт қалдық DEKA мотиві деп аталады. Натрий арнасы арқылы натрийдің өту жылдамдығы сыртқы зарядталған сақинаны құрайтын төрт карбоксилат қалдықтарымен анықталады. Осындай қалдықтардың бірі – жүрек натрий арнасындағы C373, бұл оны бүгінгі күнге дейін зерттелген натрий арналарының арасында pH-қа ең сезімтал натрий арнасы етеді.

Натрий арнасының қақпасының pH модуляциясы

Жүректегі натрий каналы pH-қа ең сезімтал натрий каналы болғандықтан, осы каналға қатысты көптеген мәліметтер белгілі. Сыртқы ортадағы pH төмендегенде, белсендіру және белсендірілмеудің вольтажға тәуелділігі оң потенциалға қарай ығысатыны көрсетілді. Бұл, мысалы, жаттығу сияқты қан pH деңгейін төмендететін жағдайларда, каналдардың белсендірілу және белсендірілмеу мүмкіндігі жоғарырақ потенциалда артатынын, бұл жағымсыз салдарға алып келуі мүмкін екенін білдіреді. Скелеттік бұлшық еттеріндегі натрий каналдары pH-қа салыстырмалы түрде сезімсіз каналдарға эволюциялады. Бұл, қозғалыс кезінде қан pH деңгейінің өзгеруге бейімділігіне байланысты, скелеттік бұлшықеттердің шамадан тыс немесе жеткіліксіз қозғырылуынан қорғау механизмі ретінде қарастырылады. Соңғы зерттеулерде, скелеттік натрий каналында периодтық паралич пен миотонияны тудыратын аралас синдромдық мутация осы каналға pH сезімталдығын қосатынын, осылайша оның жұмыс істеу механизмін жүрек түріне ұқсас ететіні анықталды.

Осы уақытқа дейін зерттелген субтиптердегі рН модуляциясы

Протонацияның әсері Nav1.1–Nav1.5 арналарында сипатталған. Бұл арналардың ішінде Nav1.1–Nav1.3 және Nav1.5 арналарында белсенділіктің кернеуге тәуелділігі деполяризацияланған, ал Nav1.4 арнасындағы белсенділік ацидозға бейтарап болып қалады. Nav1.1–Nav1.4 арналарындағы тұрақты күйдегі жылдам инактивацияның кернеуге тәуелділігі өзгеріссіз, бірақ Nav1.5 арнасында тұрақты күйдегі жылдам инактивация деполяризацияланады. Осыған дейін зерттелген натрий арналарының арасында Nav1.4 ең төмен, ал Nav1.5 протонға ең сезімтал түрлері болып табылады.