Воротные механизмы потенциалэависимых ионных каналов
Данные исследований структуры потенциалзависимых каналов указывают на то, что воротный механизм расположен недалеко от цитоплазматической части поры ( глава 2 ). Один из открытых вопросов згключается в том, как именно ворота канала зависят от мембранного потенциала . Для того, чтобы потенциалзависимый воротный механизм функционировал, необходимо наличие заряженных элементов в составе белка канала, которые меняют свое положение при деполяризации. Именно такое перемещение заряда отвечает за возникновение воротного тока . Одной из структур, привлекших особое внимание исследователей в этой связи, является спираль S4 , пронизывающая мембрану и содержащая цепочку положительно заряженных аминокислот , а именно лизина или apгинина , расположенных на каждой третьей позиции на данном участке молекулы ( рис. 6.11 ). Это общее свойство всех членов суперсемейства потенциалзависимых каналов навело ученых на мысль о том, что спираль S4 играет роль потенциалчувствительного элемента, обеспечивающего связь между мембранным потенциалом и работой воротного механизма . Таким образом, деполяризация мембраны (т.е. увеличение положительного заряда внутри клетки) должна вызвать смещение положительных зарядов в направлении внеклеточной среды, поэтому вся спираль переместится в том же направлении ( рис. 6.11 В), а вероятность открытия канала увеличится. Механизм увеличения вероятности еще не изучен полностью.
Для проверки этой гипотезы были произведены направленные мутации гена, кодирующего область S4 молекулы натриевого канала мозга крысы. Нейтральные или кислые аминокислотные остатки заменили на один или более щелочных остатков, с тем, чтобы исследовать их влияние на активацию канала. Гипотеза состояла в том, что если удалить положительное заряды из спирали, то для активациии канала потребуется более высокий уровень деполяризации мембраны. Данное предположение подтвердилось, когда мутации затрагивали участки молекулы поблизости от ее цитоплазматического окончания. Подобные результаты были получены в результате экспериментов с мутациями S4 калиевых каналов типа A .
Биохимические эксперименты на каналах-мутантах также подтвердили, что активация канала сопровождается изменениями в сегменте S4. В этих экспериментах аминокислотные остатки по обеим концам спирали были заменены на цистеин . Затем исследовали доступность сульфгидрильных групп цистеина для гидрофильных реагентов ( глава 3 ). Аминокислоты, которые были недоступны с внеклеточной стороны мембраны в состоянии покоя, во время деполяризации становились доступными. В то же время те остатки, которые были доступны изнутри, становились недоступными во время деполяризации. Что указывало на перемещение епирали в сторону внеклеточной поверхности мембраны.
Обобщим вышесказанное. Несмотря на недостаточность экспериментальных данных, можно с высокой степенью надежности допустить, что перемещение спирали S4 в направлении наружной поверхности мембраны представляет собой первый этап воротного механизма. В состоянии покоя отрицательный внутриклеточный заряд притягивает спираль в направлении цитоплазмы. В момент деполяризации снижение величины отрицательного заряда позволяет спирали переместиться в противоположном направлении. Перемещение S4 влечет за собой дополнительные изменения конформации белковой молекулы, которые в конце концов приводят к открытию канала.
