МедУнивер - MedUniver.com Все разделы сайта Видео по медицине Книги по медицине Форум консультаций врачей  
Рекомендуем:
Генетика:
Генетика
Аномалии хромосом
Биология клетки
Генетика врожденных пороков
Генетика рака - опухолей
Молекулярная генетика
Наследственные синдромы
Цитогенетика - исследование хромосом
Лечение наследственных болезней
Фармакогенетика
Форум
 

Воротный механизм калиевых каналов - гейтинг

• Воротный механизм (гейтинг) представляет собой важнейшее свойство ионных каналов

• Разные воротные механизмы определяют разные функциональные классы К* каналов

• Ворота К+-каналов отличаются от селективных фильтров

• К+-каналы регулируются величиной мембранного потенциала

Ионные каналы обладают двумя важными свойствами: селективностью по отношению к определенным ионам и механизмом ворот. Воротный механизм представляет собой способность канала открываться и закрываться в ответ на воздействие определенных стимулов. В данном разделе мы рассмотрим общие принципы воротного механизма и охарактеризуем этот процесс для различных К+-каналов.

Поскольку при неконтролируемом потоке ионов через мембрану расходуется энергия и нарушаются клеточные функции, процесс открытия ионных каналов находится под строгим контролем. Учитывая объем клетки, концентрацию ионов К+ во внутри- и внеклеточном пространстве и скорость их транспорта через ионные каналы, установлено, что открытие 10 канальных молекул лишь на одну секунду может привести к полному выходу из клетки ионов К+. В действительности, К+-каналы открываются и закрываются в пределах миллисекунд. При этом из клетки не происходит выход всех ионов, однако поддерживается отрицательная величина мембранного потенциала покоя. Закрытие и открытие К+-ка-нала происходят за счет конформационных изменений, возникающих под действием специфических стимулов.

Разные типы К+-каналов открываются и закрываются под действием различных вне- или внутриклеточных сигналов. Для некоторых К+-каналов открытие ворот происходит при участии механизма, который учитывает состояние клеточного метаболизма. Еще один механизм реализуется при связывании лиганда с внутриклеточным доменом канала. При этом происходят конформационные изменения, в результате которых открываются ворота канала. К числу лигандов относятся ионы Са2+, АТФ, тримерный G-белок и полиамины. Наконец, когда К+-канал контролируется электрическим зарядом, изменения мембранного потенциала клетки приводят к изменению конформации трансмембранных сегментов и к открытию (или закрытию) канала.

Такой контроль характерен для потенциал-зависимых К+-каналов, позволяющих поддерживать потенциал покоя и снижать величину потенциала действия в нервных и мышечных клетках. Некоторые каналы включаются и выключаются как при изменении заряда, так и при связывании лиганда. В данном разделе мы рассмотрим воротный механизм Са2+-активируемого К+-канала, а также К+-канала, контролируемого электрическим зарядом.

Калиевый канал в открытой и закрытой конфигурации
Кристаллическая структура KcsA и MthK К+-каналов в закрытой и открытой конфигурациях.
Обведены глициновые остатки, образующие «дверную петлю». Модели построены на основании данных Protein Data Bank file 1K4C и 1LNQ.
Для канала MthK цитоплазматические домены не представлены. Показано предполагаемое положение мембраны.

Каким образом функционирует воротный механизм канала? Важнейшим компонентом процесса является внутренняя или порообразующая а-спираль, М2 в канале 2ТМ/Р или S6 в канале 6ТМ/Р. Спираль М2 или S6 от каждой из четырех субъединиц выстилает пору канала. В составе каждой внутренней спирали находится ключевой остаток глицина, обеспечивающий гибкость спирали и являющийся «дверной петлей». Этот глициновый остаток, который присутствует в большинстве К+-каналов, обеспечивает спирали возможность перемещаться в поре канала.

Таким образом, в расправленной конфигурации четыре внутренние спирали закрывают пору, а в скрученной конфигурации внутренние спирали выпячиваются, образуя отверстие размером около 12 А.

Строение Са2+ активируемого К+-канала показано на рисунке ниже. Пора этого канала обладает тетрамерной структурой, типичной для К+-каналов. Наряду с этим на С-конце каждой субъединицы находится большой внутриклеточный домен, способный связывать два иона Са2+ и носящий название «домен, регулирующий К+-проводимость» (RCK). Считается, что четыре этих RCK-домена связаны с четырьмя растворимыми цитоплазматическими RCK-доменами. На основании исследования кристаллической структуры этого канала в открытом состоянии и содержащим связанные ионы Са2+, а также исследуя структуры RCK-доменов без лиганда (без Са2+) других К+-каналов, была разработана модель его открытия и закрытия с участием ионов Са2+. Согласно этой модели, свободная энергия, которая высвобождается при связывании Са2+, расходуется на перемещение RCK-доменов к границе мембраны, что приводит к расхождению внутренних спиралей и к расширению поры с внутренней стороны мембраны.

Потенциал-зависимые К+-каналы являются представителями группы потенциал-зависимых катионных каналов, которая также включает Na+- и Са2+-каналы. Эти каналы высокочувствительны и открываются уже при небольших изменениях мембранного потенциала. Каким образом канал «чувствует» потенциал и превращает его в событие открытия-закрытия ворот? Все потенциал-зависимые катионные каналы состоят из субъединиц, содержащих шесть трансмембранных сегментов. Первые четыре трансмембранных сегмента (S1-S4) каждой субъединицы образуют потенциал чувствительный модуль (сенсор заряда), который контролирует открытие и закрытие канала. Каждый сегмент S4 содержит несколько положительно заряженных аргининовых остатков (от 4 до 7, в зависимости от канала) которые называются «заряды ворот». Эти остатки узнают изменения электрического потенциала мембраны.

Большое количество «зарядов ворот», приходящееся на один канал, дает возможность плавного увеличения прохождения ионов в ответ на небольшие изменения мембранного потенциала. Функционирование потенциал-зависимого К+-канала представлено на рисунке ниже.

Калиевый канал активируемый кальцием
Схематическое изображение трех из четырех субъединиц К+-канала.
После связывания Са2+ с RCK-доменами, образующими вход в ворота, их диаметр увеличивается.
За счет усилия, которые они оказывают на поровый домен, происходит открытие ворот канала.
Модели кристаллической структуры MthK построены на основании данных Protein Data Bank file 1LNQ.
Показано предполагаемое положение мембраны.

Было показано, что положительные изменения мембранного потенциала, обнаруженные сегментом S4, вызывают движение сенсора заряда, который оттягивает спирали внутренней поры в стороны, тем самым открывая ворота канала. Впрочем, точно неизвестно, каким образом движение сенсора приводит к открытию канала. Предложены три модели, описывающие движение сенсора заряда, происходящее в ответ на изменение мембранного потенциала. Одна модель предполагает, что канал открывается в результате движения положительно заряженного сегмента S4 через мембрану.

Другая модель основывается на данных о кристаллической структуре потенциал-зависимого К+ канала. Согласно этой модели, область поры окружена четырьмя сенсорами заряда, т. н. «лопастями», снабженными гибкими петлями, которые позволяют лопастям двигаться поперек мембраны. Каждая лопасть состоит из фрагментов спираль-поворот-спираль сегментов S3 и S4 типа. Третья модель предполагает, что вместо движения поперек мембраны S4 сегменты сенсора заряда поворачиваются, обеспечивая тем самым открытие и закрытие канала. Это движение близко к конформационным изменениям транспортеров.

В каналах Kv 1.2К+ клеток млекопитающих потенциал-зависимый воротный механизм, который обеспечивает появление и утрату состояния проводимости в диапазоне изменений в несколько милливольт, связан с перемещением независимых доменов внутри мембраны. Подобные сенсоры заряда (лопасти) выполняют механическую работу посредством линкерных спиралей, подобно тому как это происходит в случае связывающих доменов лиганд-зависимых ионных каналов.

Исследование мутаций в генах, кодирующих К+-канальные белки, помогло выяснить функции различных изоформ К+-каналов, а также связь дефектов их структуры с развитием различных заболеваний. Ниже кратко рассмотрены некоторые из полученных данных. Эпизодическая атаксия 1 типа представляет собой заболевание нервной системы, вызванное мутацией в гене одного из белков К+-канала. Эта наследственная болезнь характеризуется кратковременными приступами расстройства координации произвольных движений, которые развиваются при стрессе и обусловлены повышением возбудимости мотонейронов. При этой форме атаксии наблюдается мутация в гене KCNA1, кодирующем синтез одного из белков Кv-канала.

Синдром удлиненного интервала QT представляет собой наследственное заболевание, которое выявляется на ЭКГ покоя. Оно обусловлено мутацией в гене KCNQ3, который кодирует белок другого Кv-канала. В результате у больных удлиняется процесс реполяризации миокарда, возникают повторяющиеся приступы аритмии и увеличивается риск внезапной смерти.

Потенциалзависимые калиевые каналы
Три модели, описывающие, каким образом небольшой заряд, который распознается К+-каналом, приводит к открытию канала.
Трансмембранные спирали S4 представляют собой положительно заряженные трансмембранные сегменты домена зарядного сенсора (S1-S4).
На схеме изображен тетрамерный канал в разрезе и представлены только две из четырех S4 спиралей.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

- Также рекомендуем "Транспорт ионов натрия через плазматическую мембрану"

Оглавление темы "Проницаемость мембраны клетки":
  1. Механизмы деления клеток
  2. Механизмы дифференцировки клеток в специализированные
  3. Проницаемость мембраны клетки для ионов и молекул
  4. Транспортные каналы и белки клеточной мембраны
  5. Гидратная оболочка клетки и степень гидратации
  6. Мембранный потенциал и электрохимический градиент
  7. Калиевые каналы мембраны клетки
  8. Воротный механизм калиевых каналов - гейтинг
  9. Транспорт ионов натрия через плазматическую мембрану
  10. Эпителиальные натриевые каналы (ENaCs) мембраны клетки
Медунивер Мы в Telegram Мы в YouTube Мы в VK Форум консультаций врачей Контакты, реклама
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.