Глава 5. Приложение разработанного подхода к описанию реальных мембранных белковых каналов

Для того чтобы оценить возможности подробно представленного в предыдущих главах алгоритма проведения виртуальных экспериментов по симуляции работы белковых мембранных каналов необходимо продемонстрировать его применение на реальных примерах. Положительным фактом является то обстоятельство, что с биологической точки зрения множество мембранных каналов в достаточной степени хорошо изучены и существуют огромные массивы информации, подробно раскрывающие суть их функционирования.

Ионные каналы представляют собой интегральные мембранные белки, формирующие регулируемые поры, осуществляющие избирательное прохождение различных ионов через мембрану. Наиболее распространенными являются каналы для ионов Ыа⁺, К⁺, Са²⁺, С1\ Также часто к ионным каналам относят протон-проводящие системы биоэнергетических комплексов [35]. Впервые ионные каналы были найдены в мембранах нервной ткани, а позднее были обнаружены также в мембранах других тканей и в составе сложных мембранных белков — транспортных аденозинтрифосфатаз, цитохромоксидазы, родопсина [36]. Эти белки «пронизывают» мембрану, образуя ион-проницаемые системы, и часто построены из нескольких субъединиц. Избирательность ионных каналов может определяться как геометрическими параметрами, так и химической природой групп, выстилающих стенки канала и его устье. Селективный отбор ионов может осуществляться специальными молекулярными устройствами (воротный механизм ионного канала, селективный фильтр). Исходя из критерия энергетических затрат, транспорт через ионные каналы разделяется на активный и пассивный. Активный транспорт происходит с затратой энергии, и ионные каналы работающие на таком принципе называются ионными насосами [37,38]. В случае пассивного транспорта, перенос ионов происходит в соответствии с градиентом электрохимического потенциала. Скорость переноса ионов через канал в общем случае может сильно варьироваться и зависеть также от присутствия различных природных или синтетических веществ, которые имеют возможность связываться с элементами ионного канала. К таким веществам относятся, например токсины ядов скорпиона, кобры, тетродотоксин, ионы тетраметиламмония. Работой канальных белков обеспечивается клеточный обмен веществами, в том числе неорганическими катионами (в основном К⁺, и Са²⁺) и анионами (главным образом СГ), причем почти для каждого вида ионов имеются свои собственные каналы. Благодаря передвижению ионов через мембрану на ней возникает разность потенциалов, генерируются электрические токи, без которых невозможна жизнь клетки. Таким образом, ионные каналы играют ключевую роль в протекании многих биологических процессов, среди которых можно выделить проведение нервного импульса и мышечное сокращение, что делает их интересными объектами для биофизических исследований.

Существует несколько различных способов активации ионных каналов. Некоторые каналы специфически отвечают на физические изменения в клеточной мембране, другие — открываются тогда, когда химические агенты

активируют связывающие центры на молекуле канала.

Среди мембранных ионных каналов принято выделять две группы:

• Потенциал-зависимые ионные каналы (У01С)

• Лиганд-зависимые ионные каналы (Ь01С)

Оба класса ионных каналов включают в себя большое число представителей и являются различными как по строению, так и по функциям.

Потенциал-зависимые (или потенциал-активируемые) каналы открываются и закрываются в ответ на изменение мембранного потенциала. К этой группе относятся также механочувствительные ионные каналы — специализированные каналы механорецепторов, , открывающиеся при действии на клетку давления, растяжения'или вибрации и преобразующие энергию внешних стимулов в электрический ответ. К каналам, специфически активируемым деполяризацией клеточной мембраны, относятся:

• Потенциал-активируемые натриевые каналы (№⁺ каналы), отвечающие за фазу деполяризации потенциала действия

₊ <

• Потенциал-активируемые калиевые каналы (К каналы), ассоциированные с мембранной реполяризацией

• Потенциал-активируемые кальциевые'каналы (Са²⁺ каналы), которые в некоторых тканях отвечают за генерацию потенциала действия и поддержание длительной деполяризации

Предполагают, что белки, из которых состоят потенциал-зависимые каналы, могут принимать несколько альтернативных конформаций, каждая из которых стабильна при воздействии небольших сил, но может смениться другой конформацией, если белок подвергнется достаточно сильному удару в результате теплового движения окружающих молекул. Для того,чтобы белок прошел через ряд нестабильных промежуточных конформаций, отделяющих одну квазистабильную конформацию от другой, требуется энергия. Чем выше этот энергетический барьер, тем реже осуществляется переход. Каналы будут очень редко принимать квазистабильные конформации с высокой энергией, обычно они находятся в низкоэнергетических состояниях. Если альтернативные конформации различаются распределением заряда, то при изменении электрического поля будут изменяться относительные энергии этих конформаций, а вместе с тем и вероятность принятия каналом той или иной конформации.

При всей сложности организации ионных каналов в их структуре есть одно, несомненно, общее свойство — все они образуют более или менее однородную пору в поверхности мембраны. По сути, данная пора и является той основной структурной единицей, которая позволяет любому каналу выполнять свою прямую функцию - пропускать определенным образом отобранные ионы. В связи с этим, прежде чем преступить к рассмотрению мембранных потенциал или лиганд-зависимых каналов следует рассмотреть пример простейшей мембранной поры.