Введение

Трансмембранный белок, обеспечивающий прохождение ионов натрия внутрь и наружу клетки. Натриевые каналы – это интегральные мембранные белки, формирующие ионные каналы, проводящие ионы натрия (Na+) через клеточную мембрану. Они принадлежат к суперсемейству катионных каналов.

Функция

В возбудимых клетках, таких как нейроны, миоциты и определенные типы глии, натриевые каналы отвечают за восходящую фазу потенциала действия. Эти каналы проходят через три различных состояния: покоя, активное и неактивное. Хотя состояния покоя и неактивности не позволяют ионам проходить через каналы, между ними существует разница в структурной конформации.

Выборочность

Натриевые каналы обладают высокой селективностью при транспорте ионов через клеточные мембраны. Высокая селективность по отношению к ионам натрия достигается различными способами. Все они связаны с заключением иона натрия в полость определенного размера внутри более крупной молекулы.

Структура

Натриевые каналы состоят из крупных альфа-субъединиц, которые ассоциируют с вспомогательными белками, такими как бета-субъединицы. Альфа-субъединица формирует ядро канала и функционирует самостоятельно. Когда белок альфа-субъединицы экспрессируется клеткой, он способен формировать пору в клеточной мембране, проводящую Na+ в зависимости от напряжения, даже если бета-субъединицы или другие известные модулирующие белки не экспрессируются. При сборке вспомогательных белков с альфа-субъединицами, образовавшийся комплекс может демонстрировать измененную зависимость от напряжения и клеточную локализацию. Альфа-субъединица состоит из четырех повторных доменов, обозначенных I–IV, каждый из которых содержит шесть трансмембранных сегментов, обозначенных S1–S6. Высококонсервативный сегмент S4 действует как датчик напряжения канала. Чувствительность к напряжению этого канала обусловлена положительно заряженными аминокислотами, расположенными через каждые три позиции. При стимуляции изменением трансмембранного напряжения этот сегмент перемещается к внеклеточной стороне клеточной мембраны, позволяя каналу стать проницаемым для ионов. Ионы проводят через центральную пористую полость, состоящую из двух основных областей. Более внешняя (то есть более внеклеточная) часть поры формируется "P-петлями" (область между S5 и S6) четырех доменов. Эта область является самой узкой частью поры и отвечает за ее ионную селективность. Внутренняя часть (то есть более цитоплазматическая) поры – это поровая задвижка, формируемая объединенными сегментами S5 и S6 четырех доменов. Пористая область также содержит латеральные туннели или отверстия, проходящие перпендикулярно оси поры. Считается, что эти отверстия, соединяющие центральную полость с мембраной, важны для доступности лекарственных препаратов. В натриевых каналах млекопитающих область, соединяющая домены III и IV, также важна для функции канала. Этот линкер DIII-IV отвечает за закрытие пористой задвижки после открытия канала, вызывая его инактивацию.

Моделирование поведения ворот

Временное поведение Na+ каналов может быть смоделировано схемой Маркова или формализмом типа Ходжкина — Хаксли. В первой схеме каждый канал находится в определенном состоянии, описываемом дифференциальными уравнениями, определяющими переходы между состояниями; во второй, каналы рассматриваются как популяция, на которую влияют три независимые переменные гейтинга. Каждая из этих переменных может принимать значение от 1 (полностью проницаемая для ионов) до 0 (полностью непроницаемая), а их произведение определяет процент проводящих каналов. Показано, что модель Ходжкина — Хаксли эквивалентна модели Маркова.

Непроницаемость к другим ионам

Поры натриевых каналов содержат селективный фильтр, состоящий из отрицательно заряженных аминокислотных остатков, которые притягивают положительный ион Na+ и отталкивают отрицательно заряженные ионы, такие как хлорид. Катионы перемещаются в более суженную часть поры размерами 0,3 на 0,5 нм, которая достаточно велика, чтобы пропустить один ион Na+ вместе с ассоциированной молекулой воды. Более крупный ион K+ не может пройти через эту область. Ионы разных размеров также хуже взаимодействуют с отрицательно заряженными остатками глутаминовой кислоты, выстилающими пору.

Разнообразие

Напряженно-зависимые натриевые каналы обычно состоят из альфа-субъединицы, формирующей ионный проводящий канал, и одной-двух бета-субъединиц, выполняющих несколько функций, включая модуляцию открытия и закрытия канала. Экспрессия только альфа-субъединицы достаточна для создания функционального канала.

Канал утечки натрия (NALCN)

Натриевые каналы утечки не проявляют воротной зависимости от напряжения или лигандов. Вместо этого они постоянно открыты и "пропускают" небольшой фоновый ток, регулирующий потенциал покоя нейрона.

Структурные и функциональные различия

Несмотря на то, что NALCN имеет ту же основную структуру, что и другие натриевые каналы, он не чувствителен к изменениям напряжения. В S4 трансмембранном домене NALCN, отвечающем за чувствительность к напряжению, содержится меньше положительно заряженных аминокислот (13 вместо 21 у каналов, управляемых напряжением), что, вероятно, объясняет его нечувствительность к напряжению. Вещество P и нейротензин активируют киназы семейства Src через свои соответствующие GPCR (независимо от связанных с ними G-белков), что, в свою очередь, увеличивает проницаемость NALCN посредством активации UNC80. Ацетилхолин также может повышать активность NALCN через M3 мускариновые ацетилхолиновые рецепторы. Повышенные уровни внеклеточного Ca2+ снижают проницаемость NALCN, активируя CaSR, который ингибирует UNC80.

Белокожий комплекс

Комплексы NALCN образуются с белками UNC79, UNC80 и FAM155A. UNC79, по-видимому, играет роль в поддержании стабильности мембраны NALCN и взаимодействии с UNC80. Мутации в гене NALCN также связаны с рядом тяжелых нарушений развития и цервикальной дистонией. Кроме того, мутации NALCN ассоциированы с шизофренией и биполярным расстройством.

модуляция рН

Изменения pH крови и тканей сопутствуют физиологическим и патофизиологическим состояниям, таким как физические упражнения, ишемия миокарда, ишемический инсульт и употребление кокаина. Эти состояния, как известно, провоцируют симптомы электрических заболеваний у пациентов, несущих мутации гена натриевых каналов. Протоны вызывают разнообразные изменения в механизмах открытия и закрытия натриевых каналов, которые обычно приводят к снижению амплитуды быстрого натриевого тока и увеличению доли неинактивирующихся каналов, пропускающих постоянный ток. Эти эффекты характерны для мутаций, вызывающих заболевания в нейронной, скелетной мускулатуре и сердечной ткани, и могут усиливаться мутациями, повышающими чувствительность натриевых каналов к протонам, что указывает на роль протонов в возникновении острых симптомов электрических заболеваний.

Молекулярные механизмы протонового блока

Одноканальные данные, полученные на кардиомиоцитах, показали, что протоны могут уменьшать проводимость отдельных натриевых каналов. Селективный фильтр натриевого канала состоит из одного аминокислотного остатка в каждой из четырех петель, формирующих пору, в четырех функциональных доменах. Эти четыре остатка известны как мотив DEKA. Скорость прохождения натрия через натриевый канал определяется четырьмя карбоксилатными остатками, мотивом EEDD, которые формируют внешнее заряженное кольцо. Один из таких остатков – C373 в сердечном натриевом канале, что делает его наиболее чувствительным к pH среди изученных на сегодняшний день натриевых каналов.

модуляция рН натриевого канала

Поскольку сердечный натриевый канал является наиболее чувствительным к pH, большая часть имеющихся знаний основана именно на нём. Снижение внеклеточного pH приводит к деполяризации зависимости активации и инактивации от напряжения, сдвигая её в сторону более положительных потенциалов. Это означает, что во время активности, вызывающей снижение pH крови, например, при физических упражнениях, вероятность активации и инактивации каналов повышается при более положительных мембранных потенциалах, что может привести к нежелательным последствиям. Натриевые каналы, экспрессируемые в скелетных мышечных волокнах, эволюционировали в каналы с относительно низкой чувствительностью к pH. Предполагается, что это является защитным механизмом против потенциальной гипер- или гиповозбудимости скелетных мышц, поскольку pH крови сильно подвержен изменениям во время движения. Недавно было показано, что мутация, вызывающая смешанный синдром, проявляющийся в виде периодического паралича и миотонии в скелетном натриевом канале, наделяет этот канал чувствительностью к pH, делая механизм открытия и закрытия этого канала схожим с таковым у сердечного подтипа.

Модуляция рН в различных изученных до сих пор подтипах

Эффекты протонирования были охарактеризованы для Nav1.1–Nav1.5. Среди этих каналов Nav1.1–Nav1.3 и Nav1.5 демонстрируют деполяризованную зависимость активации от напряжения, в то время как активация в Nav1.4 остаётся нечувствительной к ацидозу. Зависимость напряжения устойчивой быстрой инактивации не изменяется в Nav1.1–Nav1.4, но устойчивая быстрая инактивация в Nav1.5 смещается в деполяризованную область. Таким образом, среди изученных натриевых каналов Nav1.4 является наименее, а Nav1.5 – наиболее чувствительным к протонам подтипом.