Молекулярные механизмы активации и инактивации ионных каналов

Методы молекулярной биологии и генетики позволили вскрыть молекулярные механизмы активации и инактивации ионных каналов. Поскольку открытие потенциал-активируемых каналов связано с уменьшением потенциала на мембране, то для того, чтобы канал открылся, необходимо наличие заряженных структур в составе белка канала, которые меняют свое положение при деполяризации. Одной из структур, привлекших особое внимание исследователей в этой связи, является спиральный сегмент S4, пронизывающий мембрану и содержащий цепочку положительно заряженных аминокислот - лизина или аргинина, расположенных на каждой третьей позиции в данном участке молекулы. Предполагают, что этот сегмент играет роль потенциал-чувствительного элемента, обеспечивающего связь между мембранным потенциалом и работой воротного механизма. Можно думать, что деполяризация мембраны (то есть увеличение положительного заряда внутри клетки) вызывает смещение положительных зарядов в направлении внеклеточной среды, поэтому весь сегмент перемещается в том же направлении (рис. 24А). Перемещение S4 влечет за собой дополнительные изменения конформации белковой молекулы, которые в конце концов приводят к открытию канала. В состоянии покоя отрицательный внутриклеточный заряд притягивает спираль в направлении цитоплазмы. Эти предположения были подтверждены направленными мутациями гена, кодирующего область S4 молекулы натриевого канала мозга крысы. Нейтральные или кислые

Рис. 24. Молекулярные механизмы активации и инактивации ионных каналов

(А) Открытие потенциал-активируемых ионных каналов связано со смещением положительно заряженных S4 сегментов в сторону наружной поверхности мембраны при деполяризации. (Б) Инактивация многих каналов обеспечивается закупориванием внутреннего устья канала внутриклеточной аминокислотной петлей (модель шара на цепочке).

аминокислотные остатки заменили на один или более щелочных остатков для удаления положительных зарядов из спирали. Такие мутации приводили к нарушению потенциал-зависимости открытия канала. Подобные результаты были получены в результате экспериментов с мутациями области S4 калиевых каналов.

Молекулярные механизмы инактивации каналов иные (рис. 24Б). Наиболее привлекательной моделью является модель «шара на цепочке», по которой внутриклеточная блокирующая частица (шар), закрепленная на цитоплазматической части белковой молекулы канала посредством гибкого соединения (цепочки), при своем раскачивании способна блокировать канал во время инактивации. В результате экспериментов на натриевых каналах удалось идентифицировать внутриклеточную петлю, которая участвует в процессе инактивации. В петле содержится приблизительно 45 аминокислотных остатков, и она подобна булавке, которая, раскачиваясь из стороны в сторону, входит во внутриклеточное устье канала и тем самым блокирует его.