hirsh_ben_arie (idelsong) wrote,
hirsh_ben_arie
idelsong

Category:

Про ионные каналы

Давно не писал про биологию, и давно хотел, только некогда было.

Picture1
Вот например, возьмем вот такую последовательность белка - не очень большую, всего 499 аминокислот. Каждая аминокислота в таком способе описания обозначается однобуквенным кодом. Предположим, что мы ничего не знаем об этом белке. Что мы можем о нем сказать?

Во-первых, аминокислоты отличаются по сродству с водой - гидрофильности или гидрофобности. Как это определяется? Если взять половину пробирки с водой, а половину, например, с гексаном, и добавить туда эту аминокислоту (точнее, некоторую ее производную) и хорошо разболтать, часть аминокислоты уйдет в гексан, а часть - в воду. Соотношение, сколько уйдет в гексан, а сколько в воду, специфично для данной аминокислоты. Для разных аминокислот оно может варьировать от 10000:1 до 1:10000.

Соответственно, каждой аминокислоте можно присвоить число, равное логарифму его распределению между гексаном и водой. Очень гидрофобная аминокислота будет иметь оценку 4 (даже 4.5), а очень гидрофильная (-4.5). Давайте обозначим все гидрофобные аминокислоты желтым цветом.

Picture2

Обратим внимание, что есть участки, где гифрофобные аминокислоты идут почти сплошняком.

Попробуем построить график, где N-ной аминокислоте будет присвоено число, равное сумме гидрофобностей ее соседей, например, от N-9 до N+9. На таком графике хорошо будут видны участки высокой гидрофобности.

Picture3

На графике отчетливо видно, что белок содержит 6 таких гидрофобных участков (я их обозначил красным), и еще один не очень гидрофобный, о котором мы поговорим позже.

Такое устройство говорит о том, что молекула белка находится внутри биологической мембраны и пересекает ее 6 раз, то есть имеет 6 трансмембранных участков. Специальных сигналов, которые бы вели в ядро или в митохондрию, здесь нет (есть программы, которые умеют их искать), так что, скорее всего, речь идет о клеточной мембране. Отсутствует и сигнальная последовательность в начале белка, значит начало (N-конец) находится внутри клетки. Значит, мы можем сказать и о топологии белка: он 6 раз пересекает мембраны, причем оба его конца располагаются внутри клетки.

Такая топология подтверждается и тем, что между первым и вторым трансмембранным участком находится последовательность -NST- , а про такую последовательность мы знаем, что она с большой вероятностью гликозилируется, то есть к аминокислоте N (аспарагину) присоединяется ветвистый сахар, делающий этот участок еще более гидрофильным. Такая гликозиляция бывает только с внешней стороны клетки (ну, или внутри эндоплазматического ретикулума, что топологически означает то же самое), и, соответственно, такая последовательность почти всегда бывает только с внешней стороны клетки.

Заметим еще интересную деталь. Четвертый трансмембранный участок необычный. Гидрофобные аминокислоты чередуются в нем с очень гидрофильными, причем не просто гидрофильными, а такими, которые в растворе заряжены положительно - R и K (аргинином и лизином). Таким образом, этот участок, с одной стороны, достаточно гидрофобный, чтобы находиться внутри мембраны, а с другой - имеет общий положительный заряд. В зависимости от разности потенциалов на мембране он будет перемещаться в соответствующую сторону.

Picture4
Таким образом, общая топология выглядит вот так.

Picture5

Обратим внимание на впячивание между 5 и 6 трансмембранным участком - это тот самый не очень гидрофобный участок, о котором я пообещал поговорить позже. В действительности, конечно, трансмембранные участки не вытянуты в линию, а имеют некоторую трехмерную структуру, причем в структуре участвуют 4 таких молекулы.

Тут, наверное, пришло время раскрыть карты и рассказать, что это за белок. Это - voltage-gated ионный канал. Даже более того, калиевый канал. Если бы мы этого не знали, мы бы узнали из последовательносты -GYG- как раз в середине слегка гидрофобной структуры, о которой я пообещал поговорить, тут пришло время назвать ее по имени - порой.

Пора калиевого канала специфична и пропускает только ионы калия с избирательностью примерно 1:50. Бывают еще натриевые и кальциевые каналы с похожей структурой, бывают и каналы с низкой избирательностью.

Они устроены очень похоже, только в калиевом канале, как я сказал, объединяются 4 разных молекулы, а в натриевом и кальциевом все 4 молекулы объединены в одны большую белковую молекулу.

Picture6

Как можно проверить, что белок - калиевый канал? Есть много разных методов, один из них, старый, но по-прежнему популярный, вот какой.

Берется большая клетка диаметром примерно 1 мм - икринка лягушки Xenopus laevis. Берется ДНК, кодирующая соответствующий белок, и в пробирке делается мРНК. Тоненьким капилляром внутрь икринки впрыскивается мРНК, и клетка начинает производить белок. Посколькы белок мембранный, он попадает туда, куда должен попасть - в мембрану клетки.

  tevc

Через несколько дней белка становится много. Теперь можно воткнуть в икринку два микроэлектрода - один для создания соответствующей разности потенциалов на мембране, а другой - для измерения текущего через мембрану тока. Как я уже говорил, калиевый канал специфичен только для калия, так что ток будет течь только в присутствии во внешней среде калия.

Его вольт-амперная характетистика будет выглядеть так. Начиная с некоторого напряжения - разного для разных каналов - канал открыт и пропускает ток (разумеется, в присутствии калия). А ниже него - закрыт.

Picture7Picture8

Как мы уже писали, этот эффект достигается за счет 4 трансмембранного участка, который содержит положительно заряженные аминокислоты. В зависимости от напряжения на мембране этот участок перемещается и открывает или закрывает пору.

Обратим внимание, что после того, как канал откроется, он не будет открытым вечно. Через некоторое время он закроется. В некотором месте молекулы канала - в данном случае на N-конце, есть структура, которая называется мячик, которая болтается на более или менее длинной привязи. Болтаясь, она рано или поздно влезает в открытый канал и затыкает его, до тех пор, пока не снимется напряжение и сенсор напряжения не вернется на место. Для разных каналов время затыкания разное. Оно может зависеть еще от других белков, так что, например, если экспрессировать соответствующий канал в ооците ксенопуса, он вообще не будет затыкаться, пока там не будет еще другого белка.

Picture9Picture10
Позвольте, скажете вы. Ведь ион натрия и кальция меньше иона калия. Как же может быть дырка - пора - которая пропускает большой ион и не пропускает маленький? Вопрос правильный. Пора - это не дырка. Ион в воде окружен большой шубой из воды, вместе с этой шубой его размер в несколько раз больше, чем без шубы. В поре ион взаимодействиет с аминокислотами, составляющими пору, и они заменяют собой молекулу воды. Для того, чтобы это делать, ион должен строго соответствовать размеру поры, иначе ему не удастся одновременно взаимодействовать с несколькими аминокислотами поры и избавиться от своей водяной шубу. Перебравшись через пору, ион снова одевается в водяную шыбу, уже по другую сторону мембраны.

Продолжение, бли недер, следует.
Tags: чуть-чуть биологии
Subscribe

  • (no subject)

    Протасевичу, конечно, надо было отказаться выходить из самолета. Пусть бы врывались на иностранный борт и забирали его силой. Но издалека легко…

  • (no subject)

    По моим представлениям, ложная информация о бомбе на борту самолета, насильственная посадка иностранного самолета, пролетавшего над территорией…

  • (no subject)

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 7 comments