Ионные каналы: структура, функции и роль в биологических процессах

Введение

Поры, образующие мембранные белки

Ионные каналы – это поры, образующие мембранные белки, которые обеспечивают прохождение ионов через канал. Их функции включают установление потенциала мембраны покоя, формирование потенциалов действия и других электрических сигналов посредством управления потоком ионов через клеточную мембрану, контроль потока ионов через секреторные и эпителиальные клетки, а также регуляцию объема клетки. Ионные каналы присутствуют в мембранах всех клеток. Ионные каналы относятся к одному из двух классов ионофорических белков, другим классом являются ионные транспортеры. Изучение ионных каналов часто включает в себя биофизику, электрофизиологию и фармакологию с использованием таких методов, как фиксация напряжения, патч-клэмп, иммуногистохимия, рентгеновская кристаллография, флуороскопия и ПЦР в реальном времени. Классификация ионных каналов как молекул называется каналомикой.

Основные особенности

Ионные каналы отличаются от других типов белков-переносчиков ионов двумя характерными особенностями: для большинства ионных каналов, активируемых изменением напряжения, порообразующие субъединицы называются α-субъединицами, а вспомогательные субъединицы обозначаются как β, γ и так далее.

Биологическая роль

Поскольку каналы являются основой нервного импульса и поскольку каналы, активируемые медиаторами, обеспечивают передачу сигнала через синапсы, каналы представляют собой особенно важные компоненты нервной системы. Действительно, множество токсинов, которые организмы выработали для подавления нервной системы хищников и жертв (например, яды, производимые пауками, скорпионами, змеями, рыбами, пчелами, морскими улитками и другими), действуют путем модуляции проводимости и/или кинетики ионных каналов. Кроме того, ионные каналы являются ключевыми компонентами широкого спектра биологических процессов, связанных с быстрыми изменениями в клетках, таких как сокращение сердечной, скелетной и гладкой мускулатуры, эпителиальный транспорт питательных веществ и ионов, активация Т-клеток и высвобождение инсулина β-клетками поджелудочной железы. При разработке новых лекарственных препаратов ионные каналы часто являются объектом воздействия.

Разнообразие

В клетках внутреннего уха насчитывается более 300 типов ионных каналов. Ионные каналы могут быть классифицированы по механизму открытия/закрытия, видам ионов, проходящим через эти каналы, числу ворот (пор) и локализации белков. Дальнейшая гетерогенность ионных каналов возникает, когда каналы, состоящие из различных субъединиц, формируют специфический тип тока. Отсутствие или мутация одной или нескольких субъединиц канала может приводить к потере функции и, потенциально, быть причиной неврологических заболеваний.

Классификация по воротам

Ионные каналы могут быть классифицированы по механизму активации, то есть по тому, что открывает и закрывает эти каналы. Например, потенциал-зависимые ионные каналы открываются или закрываются в зависимости от разности потенциалов на плазматической мембране, а лиганд-зависимые ионные каналы открываются или закрываются при связывании лигандов с каналом.

С напряжением

Ионные каналы с воротным механизмом открываются и закрываются в ответ на потенциал мембраны. Напряженно-зависимые натриевые каналы: это семейство содержит не менее 9 членов и в значительной степени отвечает за генерацию и распространение потенциала действия. Порообразующие α-субъединицы очень крупные (до 4000 аминокислот) и состоят из четырех гомологичных повторных доменов (I–IV), каждый из которых включает шесть трансмембранных сегментов (S1–S6), в общей сложности 24 трансмембранных сегмента. Члены этого семейства также ассоциируются с вспомогательными β-субъединицами, каждая из которых пронизывает мембрану один раз. Как α-, так и β-субъединицы интенсивно гликозилированы. Напряженно-зависимые кальциевые каналы: это семейство содержит 10 членов, хотя известно, что они образуют комплексы с α2δ-, β- и γ-субъединицами. Эти каналы играют важную роль как в связи мышечного возбуждения с сокращением, так и в связи нейронного возбуждения с высвобождением нейромедиатора. α-субъединицы имеют общее структурное сходство с натриевыми каналами и сопоставимы по размеру. Катионные каналы сперматозоидов: это небольшое семейство каналов, обычно называемое Catsper-каналами, связано с двухпористыми каналами и отдаленно связано с TRP-каналами. Напряженно-зависимые калиевые каналы (KV): это семейство содержит почти 40 членов, которые далее подразделяются на 12 подсемейств. Эти каналы известны главным образом своей ролью в реполяризации клеточной мембраны после потенциалов действия. α-субъединицы имеют шесть трансмембранных сегментов, гомологичных одному домену натриевых каналов. Соответственно, они собираются в тетрамеры для формирования функционального канала. Некоторые каналы временного рецепторного потенциала: эта группа каналов, обычно называемая просто TRP-каналами, названа в честь их роли в фототрансдукции у дрозофилы. Это семейство, содержащее не менее 28 членов, невероятно разнообразно по механизму активации. Некоторые TRP-каналы, по-видимому, постоянно открыты, в то время как другие активируются напряжением, внутриклеточным Ca2+, pH, окислительно-восстановительным потенциалом, осмолярностью и механическим растяжением. Эти каналы также различаются по пропускаемым ионам: некоторые селективны для Ca2+, а другие менее селективны и действуют как катионные каналы. Это семейство подразделяется на 6 подсемейств на основе гомологии: классические (TRPC), ванилоидные рецепторы (TRPV), меластатин (TRPM), полицистины (TRPP), муколипины (TRPML) и трансмембранный белок, содержащий анкирин 1 (TRPA). Гиперполяризационно-активированные каналы, управляемые циклическими нуклеотидами: открытие этих каналов обусловлено гиперполяризацией, а не деполяризацией, необходимой для других каналов, управляемых циклическими нуклеотидами. Эти каналы также чувствительны к циклическим нуклеотидам cAMP и cGMP, которые изменяют зависимость открытия канала от напряжения. Эти каналы проницаемы для моновалентных катионов K+ и Na+. В этом семействе 4 члена, все из которых образуют тетрамеры из шести трансмембранных α-субъединиц. Поскольку эти каналы открываются при гиперполяризации, они функционируют как пейсмекерные каналы в сердце, особенно в синоатриальном узле. Напряженно-зависимые протонные каналы: Напряженно-зависимые протонные каналы открываются при деполяризации, но с высокой чувствительностью к pH. В результате эти каналы открываются только тогда, когда электрохимический градиент направлен наружу, что позволяет протонам покидать клетки. Таким образом, их функция, по-видимому, заключается в выведении кислоты из клеток. Другая важная функция проявляется в фагоцитах (например, эозинофилах, нейтрофилах, макрофагах) во время «респираторного взрыва». Когда бактерии или другие микробы поглощаются фагоцитами, фермент NADPH-оксидаза собирается в мембране и начинает производить активные формы кислорода (АФК), которые помогают убивать бактерии. NADPH-оксидаза является электрогенной, перемещая электроны через мембрану, и открываются протонные каналы, чтобы протонный поток сбалансировал электрическое движение электронов.

Voltage gated ion channels open and close in response to membrane potential. Voltage gated sodium channels: This family contains at least 9 members and is largely responsible for action potential creation and propagation. The pore forming α subunits are very large (up to 4,000 amino acids) and consist of four homologous repeat domains (I IV) each comprising six transmembrane segments (S1 S6) for a total of 24 transmembrane segments. The members of this family also coassemble with auxiliary β subunits, each spanning the membrane once. Both α and β subunits are extensively glycosylated. Voltage gated calcium channels: This family contains 10 members, though these are known to coassemble with α2δ, β, and γ subunits. These channels play an important role in both linking muscle excitation with contraction as well as neuronal excitation with transmitter release. The α subunits have an overall structural resemblance to those of the sodium channels and are equally large. Cation channels of sperm: This small family of channels, normally referred to as Catsper channels, is related to the two pore channels and distantly related to TRP channels. Voltage gated potassium channels (KV): This family contains almost 40 members, which are further divided into 12 subfamilies. These channels are known mainly for their role in repolarizing the cell membrane following action potentials. The α subunits have six transmembrane segments, homologous to a single domain of the sodium channels. Correspondingly, they assemble as tetramers to produce a functioning channel. Some transient receptor potential channels: This group of channels, normally referred to simply as TRP channels, is named after their role in Drosophila phototransduction. This family, containing at least 28 members, is incredibly diverse in its method of activation. Some TRP channels seem to be constitutively open, while others are gated by voltage, intracellular Ca2+, pH, redox state, osmolarity, and mechanical stretch. These channels also vary according to the ion(s) they pass, some being selective for Ca2+ while others are less selective, acting as cation channels. This family is subdivided into 6 subfamilies based on homology: classical (TRPC), vanilloid receptors (TRPV), melastatin (TRPM), polycystins (TRPP), mucolipins (TRPML), and ankyrin transmembrane protein 1 (TRPA). Hyperpolarization activated cyclic nucleotide gated channels: The opening of these channels is due to hyperpolarization rather than the depolarization required for other cyclic nucleotide gated channels. These channels are also sensitive to the cyclic nucleotides cAMP and cGMP, which alter the voltage sensitivity of the channel's opening. These channels are permeable to the monovalent cations K+ and Na+. There are 4 members of this family, all of which form tetramers of six transmembrane α subunits. As these channels open under hyperpolarizing conditions, they function as pacemaking channels in the heart, particularly the SA node. Voltage gated proton channels: Voltage gated proton channels open with depolarization, but in a strongly pH sensitive manner. The result is that these channels open only when the electrochemical gradient is outward, such that their opening will only allow protons to leave cells. Their function thus appears to be acid extrusion from cells. Another important function occurs in phagocytes (e. g. eosinophils, neutrophils, macrophages) during the "respiratory burst." When bacteria or other microbes are engulfed by phagocytes, the enzyme NADPH oxidase assembles in the membrane and begins to produce reactive oxygen species (ROS) that help kill bacteria. NADPH oxidase is electrogenic, moving electrons across the membrane, and proton channels open to allow proton flux to balance the electron movement electrically.

Лигандовые (нейротрансмиттеры)

Эта группа каналов, также известная как ионотропные рецепторы, открывается в ответ на связывание специфических молекул лигандов с внеклеточным доменом белка рецептора. Связывание лигандов вызывает конформационное изменение структуры белка канала, что в конечном итоге приводит к открытию ворот канала и последующему потоку ионов через плазматическую мембрану. Примерами таких каналов являются катионно-проницаемые никотиновые ацетилхолиновые рецепторы, ионотропные глутаматные рецепторы, кислоточувствительные ионные каналы (ASIC), АТФ-зависимые P2X рецепторы и анионно-проницаемый γ-аминомаслянокислотный (ГАМК) рецептор GABAA. Ионные каналы, активируемые вторичными мессенджерами, также могут быть отнесены к этой группе, хотя лиганды и вторичные мессенджеры различаются по своему механизму действия.

Липидные

Эта группа каналов открывается в ответ на связывание специфических молекул липидов с трансмембранным доменом канала, обычно вблизи внутреннего листка плазматической мембраны. Фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат (PIP2) и фосфатидная кислота (PA) – наиболее хорошо изученные липиды, регулирующие открытие этих каналов. Многие утечные калийные каналы, включая калийные каналы с внутренним выпрямлением и двухдоменные калийные каналы TREK-1 и TRAAK, регулируются липидами. Калийные каналы семейства KCNQ регулируются PIP2. Напряженно-активируемый калийный канал (Kv) регулируется PA. Его половина активации смещается на +50 мВ при гидролизе PA, вблизи потенциала мембраны покоя. Это позволяет предположить, что Kv может открываться в результате гидролиза липидов независимо от напряжения и может быть классифицирован как канал, регулируемый как липидами, так и напряжением.

Детальная структура

Каналы различаются по иону, который они пропускают (например, Na+, K+, Cl−), способам их регуляции, количеству субъединиц, из которых они состоят, и другим аспектам структуры. Каналы, принадлежащие к самому крупному классу, включающему вольтаж-зависимые каналы, лежащие в основе нервного импульса, состоят из четырех или иногда пяти субъединиц, каждая из которых содержит шесть трансмембранных спиралей. При активации эти спирали перемещаются и открывают пору. Две из этих шести спиралей разделены петлей, выстилающей пору и являющейся основным детерминантом ионной селективности и проводимости в этом классе каналов и некоторых других. Существование и механизм ионной селективности были впервые постулированы в конце 1960-х годов Бертилем Хиллом и Клеем Армстронгом. Идея ионной селективности калийных каналов заключалась в том, что карбонильные кислороды пептидных цепей "фильтра селективности" (названного Бертилем Хиллом) могут эффективно замещать молекулы воды, обычно экранирующие ионы калия, в то время как ионы натрия меньше и не могут быть полностью дегидратированы для обеспечения такой экранировки, и, следовательно, не могут пройти через пору. Этот механизм был окончательно подтвержден, когда была определена первая структура ионного канала. Бактериальный калийный канал KcsA, состоящий только из фильтра селективности, петли "P" и двух трансмембранных спиралей, использовался в лаборатории Маккиннона в качестве модели для изучения проницаемости и селективности ионных каналов. Определение молекулярной структуры KcsA Родериком Маккинноном с помощью рентгеновской кристаллографии принесло ему часть Нобелевской премии по химии 2003 года. Из-за небольшого размера каналов и трудностей кристаллизации интегральных мембранных белков для рентгеновского анализа, ученые смогли непосредственно изучить внешний вид каналов лишь совсем недавно. Особенно в тех случаях, когда для кристаллизации требовалось удаление каналов из мембран с помощью детергентов, многие исследователи считают полученные изображения предварительными. Примером является долгожданная кристаллическая структура вольтаж-зависимого калийного канала, о которой было сообщено в мае 2003 года. Одной из неизбежных неопределенностей, связанных с этими структурами, является убедительное доказательство того, что каналы меняют конформацию во время работы (например, открываются и закрываются), поэтому структура в кристалле может представлять любое из этих функциональных состояний. Большинство выводов исследователей о работе каналов на данный момент было сделано с помощью электрофизиологии, биохимии, сравнения последовательностей генов и мутагенеза. Каналы могут иметь от одного (CLIC) до нескольких трансмембранных (K-каналы, P2X-рецепторы, Na-каналы) доменов, которые пронизывают плазматическую мембрану, формируя поры. Пора может определять селективность канала. Врата могут формироваться как внутри, так и снаружи поры.

Channels differ with respect to the ion they let pass (for example, Na+, K+, Cl−), the ways in which they may be regulated, the number of subunits of which they are composed and other aspects of structure. Channels belonging to the largest class, which includes the voltage gated channels that underlie the nerve impulse, consists of four or sometimes five subunits with six transmembrane helices each. On activation, these helices move about and open the pore. Two of these six helices are separated by a loop that lines the pore and is the primary determinant of ion selectivity and conductance in this channel class and some others. The existence and mechanism for ion selectivity was first postulated in the late 1960s by Bertil Hille and Clay Armstrong. The idea of the ionic selectivity for potassium channels was that the carbonyl oxygens of the protein backbones of the "selectivity filter" (named by Bertil Hille) could efficiently replace the water molecules that normally shield potassium ions, but that sodium ions were smaller and cannot be completely dehydrated to allow such shielding, and therefore could not pass through. This mechanism was finally confirmed when the first structure of an ion channel was elucidated. A bacterial potassium channel KcsA, consisting of just the selectivity filter, "P" loop, and two transmembrane helices was used as a model to study the permeability and the selectivity of ion channels in the Mackinnon lab. The determination of the molecular structure of KcsA by Roderick MacKinnon using X ray crystallography won a share of the 2003 Nobel Prize in Chemistry. Because of their small size and the difficulty of crystallizing integral membrane proteins for X ray analysis, it is only very recently that scientists have been able to directly examine what channels "look like." Particularly in cases where the crystallography required removing channels from their membranes with detergent, many researchers regard images that have been obtained as tentative. An example is the long awaited crystal structure of a voltage gated potassium channel, which was reported in May 2003. One inevitable ambiguity about these structures relates to the strong evidence that channels change conformation as they operate (they open and close, for example), such that the structure in the crystal could represent any one of these operational states. Most of what researchers have deduced about channel operation so far they have established through electrophysiology, biochemistry, gene sequence comparison and mutagenesis. Channels can have single (CLICs) to multiple transmembrane (K channels, P2X receptors, Na channels) domains which span plasma membrane to form pores. Pore can determine the selectivity of the channel. Gate can be formed either inside or outside the pore region.

Фармакология

Химические вещества могут модулировать активность ионных каналов, например, блокируя или активируя их.

История

Основные свойства токов, обусловленных ионными каналами, были проанализированы британскими биофизиками Аланом Ходжкином и Эндрю Хаксли в ходе их исследований потенциала действия, удостоенных Нобелевской премии и опубликованных в 1952 году. Они опирались на работы других физиологов, таких как исследования Коула и Бейкера, посвященные вольтаж-зависимым порам мембраны, проведенные в 1941 году. Существование ионных каналов было подтверждено в 1970-х годах Бернардом Кацем и Рикардо Миледи с использованием анализа шума. Впоследствии это было продемонстрировано более непосредственно с помощью электрофизиологического метода, известного как "patch clamp", что привело к присуждению Нобелевской премии Эрвину Нееру и Берту Сакманну, его изобретателям. Сотни, а возможно и тысячи исследователей продолжают стремиться к более детальному пониманию принципов работы этих белков. В последние годы разработка автоматизированных систем patch clamp позволила значительно увеличить производительность при скрининге ионных каналов. Нобелевская премия по химии 2003 года была присуждена Родерику Маккиннону за его исследования физико-химических свойств структуры и функции ионных каналов, включая исследования структуры методом рентгеновской кристаллографии.

Культура

Родерик Маккиннон заказал скульптуру «Рождение идеи» высотой 1,5 метра (2 м), основанную на калийном канале KcsA. В произведении искусства представлен объект из проволоки, изображающий внутреннюю часть канала, и объект из выдутого стекла, изображающий основную полость структуры канала.