Биологические мембраны - А. Н. Огурцов 2012
Электрогенез биомембран
Ионные каналы
Нерегулируемые калиевые каналы
Плазматическая мембрана клеток содержит множество открытых калиевых каналов и мало каналов для ионов Na+, Са2+ и Сl-. В результате главным потоком ионов через плазматическую мембрану является поток ионов калия из цитозоля клетки наружу, что и приводит к отрицательному заряду цитозоля по отношению к внеклеточной среде. Проницаемость таких калиевых каналов не зависит от величины мембранного потенциала и от наличия управляющих сигнальных молекул, поэтому такие каналы называют нерегулируемыми (nongated).
Нерегулируемые калиевые каналы играют главную роль в формировании потенциала покоя на мембранах клеток животных.
Но в случае клеток растений и грибков отрицательный потенциал цитозоля обеспечивается работой протонных помп P-класса, выкачивающих протоны из цитозоля клетки наружу.
Фильтры селективности ионных каналов. Экспериментальное изучение молекулярной структуры ионных каналов показало, что принципы структурной и функциональной организации белковых молекул ионных каналов одинаковы во всех организмах. Ионные каналы в мембранах бактерий были детально исследованы первыми и стали модельными системами для молекулярных биологов и биофизиков.
Бактериальные калиевые каналы, подобно остальным калиевым каналам, сформированы из четырёх идентичных белковых субъединиц, расположенных симметрично вокруг центрального канала.
Каждая субъединица содержит две трансмембранные а-спирали (S5 и S6) и небольшой P-сегмент (Pore domain) (рисунок 91).
Рисунок 91 - Схема одной из четырёх субъединиц бактериального калиевого канала Streptomyces lividans
В тетрамерном калиевом канале восемь трансмембранных а-спиралей образуют пространственную структуру, напоминающую перевернутый конус ("вигвам"), внутренность которого образует полость (которую называют "вестибюль" (vestibule)), которая является входом в канал и расположена в центральной части тетрамерного белка (рисунок 92).
Четыре белковых петли, которые входят в состав Р-сегментов субъединиц, формируют над "вестибюлем" фильтр селективности (пору, роге) для ионов К+ вблизи экзоплазматической поверхности мембраны.
Селективность фильтра к ионам калия объясняется тем, что гидратированный ион калия, уходя из цитозоля и нековалентно связываясь с карбонильными кислородами глицинов в P-петле, оставляет молекулы присоединённой воды в полости входа в канал. При этом энергетический проигрыш вследствие дегидратации иона компенсируется выигрышем в энергии за счёт формирования нековалентных связей иона калия с карбонильными кислородами глицинов (рисунок 93(a)).
Рисунок 92 - Схема нерегулируемого бактериального калиевого канала Streptomyces lividans: а - боковой разрез, б - фронтальный вид
Для ионов натрия образование связей с этими же кислородами не столь выгодно, поскольку топология калиевого канала рассчитана именно под габариты иона калия, но не натрия (рисунок 93(6)).
Рисунок 93 - Схемы координирования ионов молекулами воды и карбонильными кислородами глицинов в калиевом канале: а - для К+, б - для Na+
Ионные радиусы кислорода, калия и натрия составляют 1,4; 1,33 и 0,95 Å, соответственно (1нм =10 Å).
Кольцо кислородных атомов расположено так, что К+-O-расстояние (1,4+1,33=2,73 Å) - оптимально для взаимодействия кислородов с калием. Для натрия Nа+-O-связь короче (0,95+1,4=2,35 Ä).
Поэтому для натрия величина проигрыша в энергии при дегидратации превышает энергетический выигрыш при связывании иона Na+ в канале, и процесс диффузии ионов Na+ через калиевый канал не может идти самопроизвольно (рисунок 94(6)).
Рисунок 94 - Энергетика селективности К+-канала: а - для К+, б - для Na+
Рентгеноструктурный анализ калиевых каналов обнаружил, что калиевые каналы содержат в фильтре селективности ионы калия даже в случае, когда такие каналы имеют белковые ворота. По-видимому, наличие ионов калия стабилизирует канал, и без такого иона тетрамер распался бы.
В фильтре селективности существует четыре центра связывания иона калия (рисунок 95).
Предполагается, что одновременно в канале могут находиться два иона калия в позициях 1 и 3 (рисунок 96(a)), или 2 и 4 (рисунок 96(6)), каждый из них "зафиксирован" восемью карбонильными кислородами.
Рисунок 95 - Сечение селективного фильтра К+-канала. Цифрами указаны сайты нековалентного связывания К в канале
Наличие в канале двух центров связывания ионов: (1 и 3) или (2 и 4) - необходимо для обеспечения быстрого высвобождения ионов из канала в межклеточное пространство.
Рисунок 96 - Положение ионов калия в канале
Калиевый канал проницаем в обе стороны для ионов калия. Но более высокая концентрация ионов калия в цитоплазме стимулирует более частое перемещение ионов калия из раствора в позицию 4 в канале.
Электростатическое отталкивание катионов стимулирует переход иона из позиции 3 в позицию 2, а ион из позиции 1 выходит в экзоплазму и немедленно гидратируется (рисунок 96(6)).
Натриевые каналы устроены аналогичным образом. Они пропускают ионы натрия, а более габаритные ионы калия и кальция просто не способны протиснуться в канал.