между 0 и 1, так что кривая соотношения ток—потенциал имеет форму «горба» или «крюка». Еще одним следствием зависимости влияния блокаторов от электродвижущей силы (а не только от абсолютного значения мембранного потенциала!) является сдвиг вольт-амперной характеристики при изменении равновесного потенциала. Отсюда следует, что при повышенной внеклеточной концентрации K+ (гиперкалиемии), сопровождаемой смещением блокирующего эффекта спермина (SPM4+) вправо, Kir-каналы останутся открытыми при нормальных значениях мембранного потенциала, при которых они обычно заблокированы.

Кратко

Потенциалуправляемый воротный механизм ионных каналов

Для открывания канала (активации) необходима энергия. При потенциалуправляемом воротном механизме (gating) энергия поступает в результате сдвига мембранного потенциала, запускающего каскад молекулярных процессов. В итоге находящийся внутри канала сенсор потенциала (сегмент S4) получает электрическую энергию. Этот сенсор несет положительный заряд, поэтому при деполяризации он перемещается кнаружи, а при реполяризации — кнутри (перемещение S4). В процессе перемещения S4 изменяется конформация окружающих трансмембранных сегментов. Это приводит к расширению поры в селективном фильтре и тем самым к открыванию канала.

Канал, открывшийся в результате деполяризации, может при реполяризации мембраны снова закрыться — происходит его деактивация. Закрывание канала при деполяризованной мембране носит название инактивации. Это явление обусловлено перекрытием поры цитоплазматическим инактивационным доменом.

Управление воротным механизмом при посредстве различных сигналов

Катионные каналы определенного типа могут открываться под воздействием различных стимулов, например внутриклеточных факторов (вторичных посредников, АТФ, изменений рН или концентрации Са2+), ассоциированных белков, механического натяжения мембраны, повышения или снижения температуры либо закрываться при участии низкомолекулярных блокаторов канальных пор, например Mg2+ или спермина.

4.4. Анионные каналы

Состав и структура

!Потенциалуправляемые анионные каналы (ClC-ка- налы) состоят из двух элементов (являются димерами) и содержат две поры.

Существуют различные классы анионных каналов. Многие из них клонированы: ClC-каналы, составляющие семейства анионных каналов и транспортеров; CFTR — эпителиальный анионный

канал, дефект в нем является причиной муковисцидоза; ионотропные рецепторы ГАМК и глицина

(разд. 4.5); аноктамины — семейство из десяти генов, кодирующих кальцийактивируемые анионные каналы. Существуют и другие физиологически значимые анионные каналы, гены которых пока еще не удалось идентифицировать (см. Приложение, табл. А3).

ClC-каналы и ClC-транспортеры. Эти структуры обнаружены как в возбудимых, так и в невозбудимых клетках (см. Приложение, табл. А3). Четыре из девяти клонированных ClC-белков являются потенциалуправляемыми анионными каналами (ClC-1, ClC-2, ClC-Ка и ClC-Кb); три белка функционируют в качестве транспортеров (ClC-3, ClC-4 и ClC-5); транспортная функция двух других белков (ClC-6 и ClC-7) пока не установлена. ClC-белки могут находиться в наружной клеточной мембране или во внутриклеточных мембранных компартментах. Они не имеют структурного родства с потенциалуправляемыми катионными каналами. α-Субъединицы ClC-белков характери-

зуются сложной мембранной топологией и состоят из 18 трансмембранных сегментов. В молекуле ClC-каналоформера α-сегменты располагаются по-

парно, т. е. в виде димеров, образующих две поры в отличие от катионных каналов (рис. 4.12). Каждая пора ограничена несколькими асимметричными спиралями, находящимися относительно друг друга под разным углом (рис. 4.12). По аналогии со структурой потенциалуправляемых катионных каналов, ClC-димер может состоять из двух идентичных либо двух различных α-сегментов.

Функциональные свойства

!Потенциалуправляемые анионные каналы пропускают через мембрану различные анионы (в том числе хлорид); воротный механизм этих каналов контролируется проникающим анионом.

В отличие от высокоселективных Na+-, K+- и Са2+-каналов, ClC-каналы являются неселективными анионными каналами и пропускают широкий спектр разнообразных анионов. Зависимый от потенциала процесс открывания/закрывания ClC-каналов отличается от классического воротного механизма катионных каналов (разд. 4.3). Вместо S4-сегмента в ClC-каналах наружным сенсором потенциала служит проникающий в канал анион (рис. 4.12). Благодаря такому механизму проводимость ClC-каналов зависит от внеклеточной и/или внутриклеточной концентрации хлора; таким образом может регулироваться внутриклеточное содержание хлора.

Структурные основы селективности и проницаемости ClC-каналов. Селективный фильтр ClC-каналов короче, чем

вK+-каналах. Отрицательно заряженные ионы проникают

впору при положительном электростатическом потенциале и теряют гидратную оболочку. Избирательность анионных и катионных каналов по отношению к зарядам противоположного знака зависит от различий в расположении спиралей в структуре поры (рис. 4.12). В ClC-каналах проникающие ионы взаимодействуют с положительно заряженными структурами, а в катионных каналах — с отрицательно заряженными.

4.1. Болезни ионных каналов

Причины. Наследственные заболевания, которые обусловлены мутациями генов, кодирующих строение и функции какого-либо ионного канала, называются болезнями ионных каналов. Выявлено два типа генных изменений.

•Нонсенс-мутации («бессмысленные» мутации; лат. mutatio — изменение) обусловлены делецией (утратой) нуклеотида в последовательности ДНК. В результате синтез иРНК заканчивается преждевременно, что приводит к временной или окончательной потере функций молекулы каналоформера.

•Миссенс-мутации («ошибочные» мутации) вызваны точечной заменой в первичной последо-

вательности ДНК одного нуклеотида на другой, так что вместо «правильной» аминокислоты в первичной полипептидной цепи синтезируется иная. В результате функция белка-каналофор- мера может быть утеряна, хотя не исключается и неадекватное ее усиление. При этом могут быть нарушены функции открывания канала, его проницаемости или проводимости в связи

с дефектами формирования белков, их строения, субклеточной локализации или регулируемости (например, в результате фосфорилирования белка).

Симптомы и признаки дефектов ионных каналов зависят от конкретных особенностей экспрессии генов. Клинические проявления измененных функций кардиоспецифичной формы натриевых каналов типа NаV 1.5 отличаются от последствий аналогичных нарушений натриевых каналов NаV 1.4 скелетных мышц.

При генетическом дефекте функций какого-ли- бо ионного канала обычно нарушается деятельность всего органа (например, при дефекте канала KCNQ1). Однако возможна частичная компенсация, особенно в тех случаях, когда патология соответствующего канала не распространяется на другие органы.

Коротко

Анионные каналы

Существует несколько классов анионных каналов: ClC, CFTR (эпителиальные каналы, с дефектом которых сопряжено заболевание муковисцидозом), Са2+-активируемые хлорные каналы, а также лигандактивируемые анионные каналы (ГАМКА-ре- цепторы, рецепторы глицина).

ClC-канал состоит из димеров, образующих две поры. Они неселективны, т. е. пропускают широкий спектр разнообразных анионов.

В процессе открывания/закрывания каналов (воротный механизм) функцию сенсора потенциала выполняет проникающий через канал анион.

4.5. Лигандактивируемые ионные каналы

Строение ионных каналов возбуждающих рецепторов

!Лигандактивируемые ионные каналы возбуждающих рецепторов (ионотропных рецепторов) состоят из четырех или пяти субъединиц.

Важнейшим способом активации каналов, наряду с изменением мембранного потенциала, является связывание внеклеточного медиатора (лиганда) с каналом. Ионные каналы, активируемые таким образом, представляют собой лигандактивируемые каналы, или ионотропные рецепторы. Наименование конкретного типа канала образуется от названия активирующих лигандов (агонистов); следовательно, канал, управляемый ацетилхолином (АцХ), известен как ионотропный ацетилхолиновый рецептор. В отличие от потенциалуправляемых каналов лигандактивируемые каналы находятся в основном в постсинаптических структурах, поскольку медиаторы способны встретиться с ними только там.

Существует множество генов, кодирующих ионотропные рецепторы. На основании аминокислотных последовательностей и структуры белков ионотропные рецепторы можно разделить на классы, семейства и подсемейства. Дальнейшее подразделение в большей мере учитывает физиологические функции каналов, иными словами, тип ионов, проникающих через канал. Так, лигандактивируемые катионные каналы определяются как каналы возбуждающих рецепторов, а анионные каналы — как каналы тормозных рецепторов.

Ионные каналы возбуждающих рецепторов.

Важнейшими возбуждающими медиаторами организма млекопитающих считаются глутамат и АцХ; отсюда особое внимание к таким возбуждающим рецепторам как ионотропные глутаматные рецепторы (iGluR) и ионотропные АцХ-рецепто- ры (получившие также название никотиновые ацетилхолиновые рецепторы, nAchR, благодаря их способности активироваться никотином). В соответствии с их селективными агонистами iGluR подразделяются на NMDА-рецепторы (N-ме- тил-D-аспартатные), АМРА-рецепторы (α-ами-

но-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионатные) и каинатные рецепторы. Физиологическая роль nAchR особенно значима в периферической нервной системе и скелетной мускулатуре (в нерв- но-мышечных синапсах, или концевых пластинках), а iGluR — в центральной нервной системе (ЦНС).

Строение ионных каналов возбуждающих рецепторов. Что касается мембранной топологии, то каналообразующий белок рецепторов двух типов (iGluR и nAchR) состоит из четырех гидрофобных сегментов, которые, однако, образуют каналы, не-

сколько различающиеся по структуре (рис. 4.13). В случае iGluR три сегмента (М1, М3 и М4) — это трансмембранные домены, а сегмент М2 представляет собой Р-петлю на уровне мембраны и участвует в структуре поры аналогично Р-доменам калиевых и натриевых каналов. Длинный N-конце- вой домен белка iGluR находится во внеклеточном пространстве, а короткий С-конец — с цитоплазматической стороны мембраны. В белке nAchR все четыре гидрофобных сегмента, напротив, являются трансмембранными доменами, так что N- и С-кон- цевые домены расположены во внеклеточном пространстве.

Таким особенностям четвертичной структуры того и другого рецептора соответствует стехиометрия их структурных компонентов, а также строение участка связывания с лигандом. Глутаматные рецепторы (iGluR) — это тетрамеры (рис. 4.13А), которые в зависимости от их типа состоят из четырех идентичных или четырех различных субъединиц. Так, iGluR NMDА-типа — гетеротетрамеры с субъединицами NR1 и NR2, iGluR АМРА-ти- па — гомоили гетеротетрамеры с субъединицами GluR1–4, а каинатные рецепторы — гомоили гетеротетрамеры с субъединицами GluR5–7 и KA1–2 (табл. 4.1). Все субъединицы iGluR обладают участками связывания глутамата, которые образованы N-концевым доменом и соединительным элементом трансмембранных сегментов М3 и М4.

Напротив, nAch-рецепторы обычно состоят из пяти различных субъединиц (являются пентамерами) (рис. 4.13Б). При этом nAchR скелетной мышцы представляют собой гетеропентамеры, со-

Рис. 4.13. Строение и топология ионотропных рецепторов глутамата (А) и ацетилхолина (Б). Вверху: топология мембраны. Внизу: структура iGluR (А) и nAchR (Б), построенная на основе профилей гидропатии аминокислотных последовательностей и функциональных свойств каналов

Таблица 4.1. Молекулярный состав ионотропных рецепторов

Возбуждающие рецепторы

Глутаматные рецепторы

стоящие из двух α1-субъединиц, а также одной β-, γ- (либо ε-) и δ-субъединицы; nAchR нервной системы — пентамеры из двух или трех α-субъединиц (α2–10) и трех или двух β-субъединиц (β2–4). Со-

гласно современным данным, nAchR каждого типа имеет два участка связывания с агонистами, которые чаще всего принадлежат α-субъединице. Пора

канала nAchR образована М2-сегментами пяти субъединиц, а также смежными участками белка (рис. 4.13Б).

Функциональные свойства ионных каналов возбуждающих рецепторов

!Ионотропные рецепторы активируются при связывании с внеклеточными лигандами/медиаторами; возбуждающие глутаматные и ацетилхолиновые рецепторы представляют собой неселективные катионные каналы.

Воротные механизмы. Несмотря на отмеченные выше различия структуры рецепторных белков, молекулы iGluR- и nAchR-рецепторов близки по своим функциональным свойствам, механизмам переключения состояний и пропускания ионов. Так же как потенциалзависимые каналы

при гиперполяризации мембраны, каналы рецепторов в отсутствие агониста находятся в закрытом состоянии (С-состоянии). При этом они могут активироваться в результате связывания с агонистом — глутаматом (для рецепторов NMDA-типа дополнительно требуется связывание с глицином) либо с ацетилхолином. Взаимодействие агониста с рецептором обеспечивает, аналогично эффекту смещения спирали S4, поступление энергии к белку канала: при связывании с агонистом изменяется конформация участка связывания и его окружения; реорганизуется структура порообразующих сегментов белка; канал открывается (переходит в О-со- стояние). АМРА-рецепторы и nAchR-рецепторы скелетной мышцы, а также в некоторых нейронных nAchR-рецепторах открываются менее чем на одну миллисекунду, тогда как в других рецепторах, например в NMDA-рецепторе, открытое состояние длится 10 и более миллисекунд. Открытый канал может снова закрыться, причем для этого существует два способа: деактивация, когда агонист диссоциирует от участка связывания, или же десенситизация посредством инактивации (перехода канала в I-состояние), когда сохраняется связь лиганда с рецептором. Деактивация заканчивается в течение миллисекунд, тогда как продолжительность инактивации может быть очень разной — от нескольких миллисекунд (в nAch-рецепторах скелетной мышцы или в АМРА-рецепторах) до нескольких сотен миллисекунд.

Проницаемость каналов. Выше уже отмечалось сходство iGlu- и nAch-рецепторов в отношении проницаемости их ионных каналов. В принципе оба канала пропускают мелкие одновалентные катионы, прежде всего Na+ и K+. В физиологических условиях входящий поток Na+ больше, чем одновременный выходящий поток K+, что обусловлено более значительной движущей силой (см. выше) и относительно более выраженной селективностью Na+-каналов. В результате активация рецепторов как iGlu-, так и nAch-типа приводит к деполяризации постсинаптической мембраны,

т. е. к возбуждению постсинаптической клетки. Некоторые nAch-рецепторы, а также iGlu-рецеп- торы NMDA-типа способны пропускать не только мелкие одновалентные ионы, но и двухвалентный Са2+, в то время как двухвалентный Mg2+ задерживается и остается «подвешенным» к селективному фильтру, тем самым блокируя пору канала (см. далее).

Наряду с iGluR и nAchR существуют и другие возбуждающие рецепторы, однако их функциональная роль менее значима. К ним относятся:

ионотропные моноаминовые рецепторы (рецепторы серотонина, или 5-гидрокситриптамина — 5-НТ3-рецепторы), которые по структуре близки к nAchR;

ионотропные АТФ-рецепторы (Р2Х-рецепторы);