Кіріспе

Иондық арналар – иондардың арнаның тесігі арқылы өтуіне мүмкіндік беретін тесік құраушы мембраналық ақуыздар. Олардың функцияларына жасуша тыныш мембраналық потенциалын орнату, әрекет потенциалдарын және басқа да электрлік сигналдарды қалыптастыру (иондардың жасуша мембранасы арқылы ағынын реттеу арқылы), секреторлық және эпителийлік жасушалар арқылы иондар ағынын бақылау және жасуша көлемін реттеу кіреді. Иондық арналар барлық жасушалардың мембраналарында кездеседі. Иондық арналар – ионофорлы ақуыздардың екі класының бірі, екіншісі – ион тасымалдаушылар. Иондық арналарды зерттеу көбінесе биофизика, электрофизиология және фармакология салаларын қамтиды, сондай-ақ кернеуді ұстау, патч-кламп, иммуногистохимия, рентгендік кристаллография, флюороскопия және RT-ПТР сияқты әдістер қолданылады. Молекулалар ретінде олардың жіктелуі – арналық геномика деп аталады.

Негізгі ерекшеліктері

Иондық арналардың ион тасымалдаушы ақуыздардың басқа түрлерінен ерекшеленетін екі ерекше қасиеті бар: Көптеген вольтажға сезімтал иондық арналарда тесік құрайтын бөлік(тер) α-бөлік деп аталады, ал қосымша бөліктер β, γ және т.б. деп белгіленеді.

Биологиялық рөлі

Өйткені арналар жүйке импульсіне негіз болады және "тасымалдағыш белсендірілген" арналар синапстар арқылы өткізуді қамтамасыз етеді, арналар жүйке жүйесінің аса маңызды құрауы болып табылады. Шындығында, аңдардың және жемтің жүйке жүйесін тоқтату үшін организмдер дамытқан көптеген уларлар (мысалы, өрмектер, шаяндар, жыландар, балықтар, аралар, теңіз шұбарлары және басқалардың улары) иондық арналардың өткізгіштігін және/немесе кинетикасын өзгерту арқылы әрекет етеді. Бұдан өзге, иондық арналар жүрек, қаңқа және тегіс бұлшық еттерінің жиырылуы, қоректік заттар мен иондардың эпителийлік тасымалы, T-жасушаларының белсендірілуі және бүйрек безінің бета-жасушаларының инсулин шығаруы сияқты жасушаларда тез өзгерістер болатын көптеген биологиялық процестердің маңызды бөлігі болып табылады. Жаңа дәрілерді іздеуде иондық арналар көбінесе басты нысана болып табылады.

Түрлілігі

Ішкі құлақтың жасушаларында 300-ден астам иондық арналар кездеседі. Иондық арналар олардың ашылу-жабылу механизміне, осы арналардан өтетін иондардың түріне, арналардың санына (пораларға) және белоктардың орналасқан жеріне қарай жіктелуі мүмкін. Иондық арналардың одан әрі әртүрлілігі әр түрлі құрамдас бөліктерінен құралған арналар белгілі бір типтегі ток тудырғанда пайда болады. Бір немесе бірнеше арна құрамдас бөліктерінің жоқтығы немесе мутациясы функцияның жоғалуына алып келуі мүмкін, және бұл неврологиялық аурулардың себебі болуы ықтимал.

Қақпалар бойынша жіктеу

Иондық арналар олардың қақпалану механизмі бойынша жіктелуі мүмкін, яғни арналарды ашатын және жабатын факторларға қарай. Мысалы, кернеуге сезімтал иондық арналар плазмалық мембранадағы кернеу градиентіне байланысты ашылады немесе жабылады, ал лигандқа сезімтал иондық арналар лигандтардың арнаға байланысуына байланысты ашылады немесе жабылады.

Кернеумен шектелген

Кернеумен жабылатын иондық арналар мембраналық потенциалға жауап ретінде ашылады және жабылады. Кернеулі натрий арналары: Бұл отбасында кем дегенде 9 мүше бар және олар әрекет потенциалын құру мен таратуға негізгі жауапты. Кесінді құрайтын α-бөлімшелері өте үлкен (4000 аминқышқылына дейін) және әрқайсысы алты трансмембраналық сегменттен (S1–S6) тұратын төрт гомологты қайталану доменінен (I–IV) тұрады, барлығы 24 трансмембраналық сегмент. Бұл отбасының мүшелері қосалқы β-бөлімшелерімен бірге жиналады, олардың әрқайсысы мембрананы бір рет кесіп өтеді. α және β-бөлімшелері де кеңінен гликозильденген. Кернеулі кальций арналары: Бұл отбасында 10 мүше бар, бірақ олар α2δ, β және γ-бөлімшелерімен бірге жиналады. Бұл арналар бұлшықет қоздырылысын жиырылумен, сондай-ақ нейрондық қоздырылысты нейротрансмиттер бөлінуімен байланыстыруда маңызды рөл атқарады. α-бөлімшелерінің жалпы құрылымы натрий арналарына ұқсас және олар да бірдей үлкен. Сперматозоидтың катиондық арналары: Бұл шағын отбасы, әдетте Catsper арналары деп аталады, екі тесікті арналармен және алысқандай TRP арналарымен байланысты. Кернеулі калий арналары (KV): Бұл отбасында шамамен 40 мүше бар, олар 12 кіші топқа бөлінеді. Бұл арналар негізінен әрекет потенциалынан кейін жасуша мембранасын қайта поляризациялаудағы рөлімен белгілі. α-бөлімшелері натрий арналарының бір доменіне гомологты алты трансмембраналық сегментке ие. Сәйкесінше, олар жұмыс істейтін арнаны құру үшін тетрамерлер түрінде жиналады. Кейбір өткінші рецепторлық потенциалдық арналар: Бұл арналар тобы, әдетте жай TRP арналары деп аталады, олардың Drosophila фототрансдукциясындағы рөліне байланысты аталған. Бұл отбасы кем дегенде 28 мүшеден тұрады және белсендіру әдісі бойынша өте әртүрлі. Кейбір TRP арналары конститутивті түрде ашық болып көрінеді, ал басқалары кернеу, жасушаішілік Ca2+, pH, тотығу-тотығу күйі, осмолярлық және механикалық созу арқылы жабылады. Бұл арналар да олар өткізетін иондарға байланысты өзгереді, кейбіреулері Ca2+ үшін таңдамалы, ал басқалары катиондық арналар ретінде әрекет етеді. Бұл отбасы гомологияға негізделген 6 кіші топқа бөлінеді: классикалық (TRPC), ванилоидты рецепторлар (TRPV), меластатин (TRPM), полицистиндер (TRPP), муколипиндер (TRPML) және анкирин трансмембраналық протеин 1 (TRPA). Гиперполяризациялық циклдік нуклеотидтермен жабылатын арналар: Бұл арналардың ашылуы деполяризацияға емес, гиперполяризацияға байланысты, ол басқа циклдік нуклеотидтермен жабылатын арналарға қажет. Бұл арналар циклдік нуклеотидтер cAMP және cGMP-ге де сезімтал, олар арнаның ашылуының кернеуге сезімталдығын өзгертеді. Бұл арналар моновалентті K+ және Na+ катиондарына өткізгіш. Бұл отбасының 4 мүшесі бар, олардың барлығы алты трансмембраналық α-бөлімшелерінің тетрамерлерін құрайды. Бұл арналар гиперполяризациялық жағдайларда ашылғандықтан, олар жүректе, әсіресе SA түйінінде, жүрек ырғағын жасаушы арналар ретінде жұмыс істейді. Кернеулі протондық арналар: Кернеулі протондық арналар деполяризациямен ашылады, бірақ pH-қа өте сезімтал. Нәтижесінде бұл арналар электрохимиялық градиент сыртқа қарай бағытталғанда ғана ашылады, яғни олардың ашылуы жасушалардан протонның шығуына ғана мүмкіндік береді. Олардың функциясы жасушалардан қышқылды шығару болып көрінеді. Тағы бір маңызды функция фагоциттерде (мысалы, эозинофилдер, нейтрофилдер, макрофагтар) «тыныс алу шақыруы» кезінде жүзеге асады. Бактериялар немесе басқа микроорганизмдер фагоциттермен жұтылғанда, NADPH оксидаза ферменті мембранада жиналып, бактерияларды өлтіруге көмектесетін реактивті оттегі түрлерін (ROS) өндіре бастайды. NADPH оксидаза электрогенді, мембрана арқылы электронды қозғалыс жасайды, ал протондық арналар электрондық қозғалысты электрлік тепе-теңдікке келтіру үшін протондық ағынға мүмкіндік береді.

Лигандпен (нейротрансмиттер)

Ионотроптық рецепторлар деп те аталатын бұл арналар тобы, рецептор ақуызының жасушадан тыс доменіне белгілі лиганд молекулаларының байланысуына жауап ретінде ашылады. Лигандтың байланысуы арна ақуызының құрылымында конформациялық өзгеріске алып келеді, нәтижесінде арна қақпасы ашылып, плазмалық мембрана арқылы иондар ағыны басталады. Мұндай арналардың мысалдарына катионды өткізгіш никотиндік ацетилхолин рецепторлары, ионотроптық глутаматқа сезімтал рецепторлар, қышқылды сезінетін иондық арналар (ASIC), АТФ-қа сезімтал P2X рецепторлары және анионды өткізгіш γ-аминобүтір қышқылына сезімтал GABAA рецепторлары жатады. Екінші хабаршылармен белсендірілетін иондық арналар да осы топқа жатқызылуы мүмкін, әйтсе де лигандтар мен екінші хабаршылардың арасында айырмашылық бар.

Липидтік-гейттік

Бұл арналар тобы, плазмалық мембрананың ішкі жапырағының жанында орналасқан арнаның трансмембраналық доменіне белгілі бір липид молекулаларының байланысуына жауап ретінде ашылады. Фосфатидил инозитол 4,5-бисфосфат (PIP2) және фосфатид қышқылы (PA) осы арналарды ашатын ең жақсы зерттелген липидтер болып табылады. Көптеген калий арналары, соның ішінде ішкі түзетуші калий арналары және екі порлы доменді калий арналары TREK-1 және TRAAK липидтермен реттеледі. KCNQ калий арналары отбасы PIP2 арқылы реттеледі. Кернеуге сезімтал калий арнасы (Kv) PA арқылы реттеледі. Оның белсендірудің орта нүктесі PA гидролизі кезінде +50 мВ-қа қарай ығысады, бұл тынығу мембраналық потенциалына жақын. Бұл Kv липид гидролизі арқылы, кернеуге тәуелсіз ашылуы мүмкін екенін көрсетеді және бұл арнаны қос липид және кернеуге сезімтал арна деп санауға болады.

Толық құрылым

Каналдар олар өткізетін ионға (мысалы, Na+, K+, Cl−), оларды реттеу жолдарына, құрамына кіретін кіші бірліктердің санына және құрылымының басқа да аспектілеріне қарай ерекшеленеді. Ең үлкен класты құрайтын каналдар, оның ішінде жүйке импульсіне негіз болатын кернеуге сезімтал каналдар, әрқайсысы алты трансмембраналық спиральдан тұратын төрт немесе кейде бес кіші бірліктен тұрады. Белсенділенген кезде бұл спиральдар жылжиды және тесікті ашады. Осы алты спиральдің екеуі тесіктің ішкі жағын жабатын циклмен бөлінеді және осы, сондай-ақ басқа да каналдар класындағы иондық таңдаулылық пен өткізгіштіктің негізгі факторы болып табылады. Иондық таңдаулылықтың болуы мен механизмін алғаш рет 1960 жылдардың соңында Бертил Хилл мен Клей Армстронг болжады. Калий каналдары үшін иондық таңдаулылық идеясы "таңдаулылық сүзгісінің" (Бертил Хиллдің термині) ақуыз тізбегінің карбонил оттегі иондарын қалыпты түрде қорғайтын су молекулаларын тиімді түрде алмастыра алатыны, бірақ натрий иондары кішкентай болғандықтан және мұндай қорғау үшін толық дегидратацияға ұшырамайтыны, демек, олар өте алмайтыны болды. Бұл механизм иондық каналдың алғашқы құрылымы анықталғанда расталды. Маккиннон зертханасында иондық каналдардың өткізгіштігі мен таңдаулылығын зерттеу үшін модель ретінде тек таңдаулылық сүзгісінен, "P" циклінен және екі трансмембраналық спиральдан тұратын бактериялық калий каналы KcsA пайдаланылды. Родерик Маккиннонның рентгендік кристаллография әдісімен KcsA молекулалық құрылымын анықтауы 2003 жылғы Химия бойынша Нобель сыйлығының бір бөлігін жеңіп алды. Каналдардың кішкентай өлшемдері және рентгендік талдау үшін интегралды мембраналық ақуыздарды кристалдастырудың қиындығына байланысты, ғалымдар жақында ғана каналдардың "қалай көрінетінін" тікелей зерттей алды. Әсіресе, кристаллографияда каналдарды мембраналардан детергенттердің көмегімен алып тастау қажет болған жағдайларда, көптеген зерттеушілер алынған кескіндерді алдын ала деп санайды. Мысалы, 2003 жылдың мамырында жарияланған кернеуге сезімтал калий каналының ұзақ күткен кристалдық құрылымы. Бұл құрылымдарға қатысты сөзсіз беймәлімдіктердің бірі – каналдар жұмыс істегенде конформацияларын өзгертетіндігі (мысалы, ашылып, жабылып) және кристалдағы құрылым осы операциялық күйлердің кез келгенін көрсете алатындығы. Каналдардың жұмыс істеуі туралы зерттеушілердің көп бөлігін электрофизиология, биохимия, ген тізбегін салыстыру және мутагенез арқылы анықтады. Каналдарда плазмалық мембрананы кесіп өтетін және тесіктер құрайтын бір (CLIC) немесе бірнеше трансмембраналық (K каналдары, P2X рецепторлары, Na каналдары) домендер болуы мүмкін. Тесік каналдың таңдаулылығын анықтайды. Қақпа тесік аймағының ішкі немесе сыртқы жағында орналасуы мүмкін.

Фармакология

Химиялық заттар иондық арналардың қызметін өзгерте алады, мысалы, оларды тоқтату немесе белсендіру арқылы.

Тарих

Иондық арналар арқылы жүретін токтардың негізгі қасиеттерін британдық биофизиктер Алан Ходжкин мен Эндрю Хаксли 1952 жылы жарияланған, Нобель сыйлығына ие болған, әрекет потенциалы туралы зерттеулерінің бір бөлігі ретінде талдады. Олар Коул мен Бейкердің 1941 жылдан бастап жүргізген, кернеуге сезімтал мембраналық тесіктерге қатысты зерттеулері сияқты, басқа физиологтардың жұмысына сүйенді. Иондық арналардың бар екендігі 1970 жылдары Бернард Кац пен Рикардо Миледи шу талдауын қолдану арқылы расталды. Кейіннен бұл "патч-кламп" деп аталатын электрлік жазу әдісімен тікелей көрсетілді, бұл әдістің авторы Эрвин Нехер мен Берт Сакманнға Нобель сыйлығын әкелді. Жүздеген, тіпті мыңдаған зерттеушілер осы ақуыздардың жұмыс ілу механизмін толыққанды түсінуге тырысуда. Соңғы жылдары автоматтандырылған патч-кламп құрылғыларының дамуы иондық арналарды скринингтеуде өнімділіктің айтарлықтай өсуіне ықпал етті. 2003 жылғы Химия бойынша Нобель сыйлығы Родерик Маккиннонға иондық арналардың құрылымы мен функциясының физикалық-химиялық қасиеттерін зерттеуі үшін, соның ішінде рентгендік кристаллографиялық құрылымдық зерттеулері үшін табысталды.

Мәдениет

Родерик Маккиннон KcsA калий арнасына негізделген, 5 фут (2 метр) биіктіктегі «Идеяның тууы» мүсінін тапсырыс берді. Бұл туындыда арнаның ішкі құрылымын бейнелейтін сымнан жасалған нысан мен арна құрылымының негізгі қуысын көрсететін үрленген шыныдан жасалған зат бар.