Сучасні можливості вивчення іонних каналів
Можливістьспостерігати іонні каналипри атомному дозволі ознаменувала собою найбільший прорив у дослідженні процесів мембранного транспорту. Наприклад, дані рентгеноструктурного аналізу здійснили переворот у нашому розумінні основних принципів селективності та проникності для нових типів іонних та аквапоринових каналів. Однак дані рентгеноструктурного аналізу отримані для відносно невеликої кількості мембранних транспортних білків, і в багатьох випадках ми маємо результати, отримані для бактеріальних білків, які можна виділити в достатніх кількостях.
Аналізкристалічної структуриінших транспортних білків дозволяє з'ясувати загальніші принципи їх функціонування. Поряд з цим, аналіз кристалічної структури транспортних білків еукаріотів дає можливість проникнути вглиб більш складних процесів, таких, наприклад, як функціонування нейронів.
Встановленнякристалічної структуривиявилося необхідною передумовою розробки моделей, що описують роботу мембранних транспортних білків. Можливість спостерігати за транспортними білками в реальному часі, використовуючи методи ядерного магнітного резонансу (ЯМР) або інші методи спектроскопії, доповнює дані кристалічної структури. За допомогою цих методів можна отримати інформацію про перехід білків з однієї конформації в іншу, про регуляцію комірного іонного каналу і про конформаційні зміни, що відбуваються з білками-носіями в процесі переносу ними різних метаболітів.
Нагенетичному та функціональному рівняхвиявлено безліч мембранних переносників, іонних каналів та насосів. Сучасні методи молекулярної генетики дозволяють ідентифікувати нові транспортні білки. Більше того, з'ясувалося, що порядз пороутворюючими субодиницями для функціонування деяких транспортних білків необхідна субодинична структура. Для більш повного розуміння регулювання активності транспортних білків була б важлива ідентифікація інших подібних субодиниць.
Мікроаррей-технологіята протеомний аналіз також дозволяють порівняти рівень експресії транспортних білків та їх регуляторів у нормальних клітинах та при різних патологіях.
В якостіперспективної задачіє вкрай необхідним зв'язати інформацію, отриману на підставі даних аналізу структури, з фізіологічними властивостями клітин та організмів. Нам необхідно вивчати транспортні білки в оточенні клітинних структур та ліпідів та дослідити механізми транспорту та його регуляції. Багато захворювань пов'язані з мутаціями у генах, що кодують синтез мембранних транспортних білків. Однак для розуміння ролі певного іонного каналу у розвитку захворювання важливо оцінити функцію цього каналу в масштабі всієї клітини і, нарешті, на рівні органу та організму загалом.
Відомо, наприклад, щомутації в білку хлорних каналів— регуляторі трансмембранного перенесення при кістозному фіброзі (CFTR) є причиною аномальної реабсорбції Na+ у легенях та шлунково-кишковому тракті хворих. Це призводить до утворення густого слизу, що накопичується в органах, залежних від такого типу транспортної функції клітин епітелію. Такі дослідження вимагають розробки нових біологічних тестів, що дозволяють оцінювати специфічні функції. Розуміння молекулярних механізмів роботи різних іонних каналів дає можливість зрозуміти деталі функціонування клітин нервової системи та з'ясувати причини розвитку аномалій, що призводять до аритмій та раптової смерті.
Були розглянутітри основних класимембранних транспортних білків: канали, переносники та насоси. Ці білки розташовані в плазматичній мембрані та в мембранах внутрішньоклітинних органел, таких як ендоплазматичний ретикулум, ендосоми, лізосоми та мітохондрії. Вони беруть участь у численних клітинних процесах, починаючи з засвоєння поживних компонентів, наприклад, глюкози, і закінчуючи складнішими фізіологічними завданнями, такими як реабсорбція метаболітів клітинами нирок і поширення потенціалу дії.
Канали маютьпори, які забезпечують швидку пасивну дифузію іонів або інших метаболітів через біологічні мембрани. Вони різняться за селективністю: деякі канали високоселективні по відношенню до К+, Na+, Са2+, Cl- або молекул води, у той час як інші селективні по відношенню тільки до певних аніонів або катіонів. Селективність визначається особливою областю іонного каналу, що називається селективний фільтр.
Фільтрзабезпечує часткову дегідратацію іонів, що проходять через канал, що робить їх транспорт енергетично вигіднішим порівняно з іншими іонами однакової величини. Процес відкриття та закриття іонних каналів називається комірним механізмом (гейтинг) та регулюється різноманітними факторами. Наприклад, іонний канал може відкриватися та закриватися під дією електричного заряду, механічних зусиль або температури. Напрямок потоку іонів через канал залежить від електрохімічного градієнта того чи іншого іона, а його транспорт пов'язаний зпроходження електричного струму через мембрану. З'ясовано будову деяких канальних білків, та запропоновано моделі, що пояснюють їхню селективність, швидку швидкість транспорту та контроль комірного механізму.
Переносчикиінасосиє селективними білками, які відрізняються від каналів механізмами переносу. Транспортні білки здатні поперемінно приймати дві основні конформації: в одній конформації вони здатні зв'язувати метаболіт, що переноситься, на одній стороні мембрани, а перебуваючи в іншій, вивільняти його з протилежного боку. Для здійснення процесу транспорту переносники та насоси використовують різні джерела енергії. Переносники витрачають енергію електрохімічного градієнта з обох боків мембрани. Навпаки, насоси використовують енергію АТФ чи зовнішні джерела (наприклад, світло).
Трансмембранний електрохімічний градієнтвстановлюється за рахунок взаємодії різних транспортних білків. Більшість енергії клітини витрачається на встановлення іонного градієнта по сторонах або плазматичної мембрани або внутрішніх мембран клітини. Наприклад, за рахунок насоса Na+/К+-АТФази створюється трансмембранний градієнт іонів Na+ та К+. Енергія електрохімічних трансмембранних градієнтів використовується каналами та переносниками для виконання роботи.
Ці градієнти, наприклад, використовуютьсяпотенціал-залежними іонними каналамидля генерації електричних зарядів, або іншими типами іонних каналів для активації внутрішньоклітинних систем передачі сигналу, а також для контролю об'єму клітини або управління транспортом рідин і електролітів. Разом з тим переносники використовують енергію електрохімічного градієнта одного метаболіту для транспортування іншого метаболіту проти градієнта його концентрації.
Мутаціїв генах,кодують білки іонного каналу, переносника або насоса, викликають різні функціональні дефекти. Порушення функції іонних каналів часто проявляються в нейронах та м'язових клітинах і спричиняють розвиток таких захворювань, як епілепсія, атаксія, міотонії та серцеві аритмії. До хвороб при порушенні іонних каналів, що зачіпають інші органи, відносяться кістозний фіброз, синдром Бартера, розлади секреції інсуліну, утворення ниркових каменів та остеопетроз. Дослідження характеру порушень іонних каналів при мутаціях дозволяють зрозуміти особливості їхнього функціонування та фізіологічну роль.
