К вопросу изучения соединений, обладающих биологической активностью на биомембраны

Создание эффективных профилактических, диагностических, лекарственных средств и материалов для медицины, микробиологии и биотехнологии относится к актуальным проблемам химической науки. Одним из решений этих проблем является изучение соединений, обладающих биологической (физиологической) активностью на биомембраны.

Для понимания электрических процессов, идущих в нервных клетках, формирования электрических потенциалов и нервных импульсов вполне достаточным будет разобраться в первых четырех видах ионных каналов: 1) неуправляемые постоянно пропускают через себя ионы калия, 2) потенциально-управляемые открываются при деполяризации и начинают в этих условиях пропускать через себя в клетку ионы натрия (в постсинаптических окончаниях и нервных отростках) или же ионы кальция (в пресинаптических окончаниях или рецепторных клетках), 3) хемо-управляемые открываются под действием медиатора и начинают пропускать через себя в клетку ионы натрия, что вызывает деполяризацию в виде возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), 4) стимул управляемые находятся в сенсорных рецепторах (рецепторных клетках или рецепторных нервных окончаниях) и открываются под действием стимула (раздражителя), начиная пропускать через себя ионы натрия, что вызывает деполяризацию в виде рецепторного потенциала.

Процесс перемещения ионов через такие ИК идёт пассивно за счёт диффузии под действием химических сил (по градиенту их концентрации) и/или электрических сил (по электрическому градиенту зарядов между внутренней и наружной сторонами мембраны).

Ионные каналы - сложнейшие и высоко консервативные белковые структуры, которые могут управляться физическими воздействиями, такими как трансмембранная разность электрических потенциалов или механическое растяжение мембраны, либо химическими сигналами - лигандами. Высокая сложность позволяет точно распознавать ионы и пропускать их через мембрану управляемым образом. Ионные каналы высокоселективны; они пропускают ионы только определенного вида: Na+, K+, Ca+ или Cl-. Их, соответственно, называют натриевыми, калиевыми, кальциевыми или хлорными каналами. Каналы для каждого вида ионов далее классифицируются по их структуре, пороговым характеристикам, кинетике, чувствительности к различным лигандам и т.д.

Если неуправляемые каналы различают вещества только по размеру и пропускают через себя по градиенту концентрации все молекулы меньше определённой величины, т.е. служат фильтрами молекулярных размеров, то их называют "неселективные каналы" , или "поры" . Селективные каналы, работают избирательно и обеспечивают перенос только определённых ионов. Ионная селективность (избирательность) каналов определяется их диаметром и строением внутренней поверхности канала. Например, катионселективные каналы пропускают только катионы, так как содержат много отрицательно заряженных аминокислотных остатков.

Ионные каналы высокоселективны и пропускают только ионы определенного вида. Например, проницаемость натриевых каналов гигантского аксона кальмара для разных ионов щелочных металлов составляет (в отн. ед.): Na+ - 1,0; Li+ - 1,1; K+ - 0.083; Rb+ - 0.025; Cs+ - 0.016. Селективность калиевых каналов еще выше: их проницаемость для ионов натрия на два-четыре порядка ниже, чем для ионов калия. Казалось бы, понятно, почему больший ион калия не может пройти через натриевый канал: его диаметр, определенный Л. Полингом, составляет 0,27 нм, тогда как диаметр иона натрия – 0.19 нм. Поскольку размер иона К+ хорошо соответствует диаметру селективного фильтра, он взаимодействует с наибольшим количеством атомов кислорода на внутренней поверхности канала (допустим, например, с четырьмя). Если энергия взаимодействия К+ с атомами кислорода стенки калиевого канала примерно равна энергии его взаимодействия с молекулами воды гидратной оболочки, он сможет легко освобождаться от гидратационной воды, молекулы которой будут замещаться атомами кислорода, координирующими этот ион.

Калиевые каналы в нейронах и других клетках различаются по структуре и биофизическим свойствам. Их действие регулируется трансмембранными потенциалами, ионами кальция и различными нейромедиаторами. Многие болезни, такие как сердечная аритмия, эпилепсия, диабет, нестабильность кровяного давления и рак связаны с нарушениями их работы. В отличие от Na+ или Ca2+-каналов, K+ каналы формируются не из одного белка с четырьмя доменами, а из четырех отдельных доменов, которые могут содержать два (2ТМ), четыре (4ТМ) или шесть (6ТМ) трансмембранных фрагментов. 6TM домены похожи на домены белков Na+ или Ca2+-каналов. Общее свойство всех доменов – наличие дополнительной небольшой петли, вероятно, необходимой для центровки иона внутри канала. Калиевые каналы Kvdr с задержанным выпрямлением (delayed rectifier K+ channels) в покое закрыты. Они открываются с некоторой задержкой после начала деполяризации мембраны и не инактивируются в течение последующих десятков миллисекунд. Эти каналы широко распространены. Именно они играют центральную роль в генерации нервных импульсов.

В нервной системе также широко распространены Ca2+-активируемые К+-каналы, которые открываются при повышении внутриклеточной концентрации ионов Ca2+ до 10-6-10-5 М. При фиксированной концентрации ионов кальция они ведут себя как другие K+-каналы с задержанным выпрямлением, активирующиеся при деполяризации мембраны. Но вероятность их открывания возрастает при повышении концентрации ионов кальция. Эти каналы вносят свой вклад в реполяризацию мембраны после продолжительной деполяризации и даже могут обуславливать гиперполяризацию мембраны. Они участвуют в таких явлениях, как адаптация, следовая гиперполяризации после длительного импульсного разряда и формирование пачечной активности.

Изучение молекулярной структуры ионных каналов затруднено тем, что это большие интегральные белки, несколько раз пересекающие мембрану. При попытках выделения они теряют пространственную структуру и свойства. Но в 1980-х годах удалось клонировать ДНК, кодирующую натриевые каналы электрического угря, встроить клонированную ДНК в ооциты лягушки, экспрессировать в большом количестве канальный белок, расшифровать его аминокислотную последовательность и изучить электрофизиологические свойства. Он оказался очень похожим по строению на K+-каналы, за исключением того, что он строится не из отдельных 6ТМ доменов, а в нем эти домены соединены в одну полипептидную цепь из 1820 аминокислот с молекулярной массой 260 кДа. Кольцо из этих доменов формирует канал, в котором центральная пора диаметром 0,31 нм образована пятым и шестым фрагментами каждого домена. Короткие а-спирали между пятым и шестым фрагментами, видимо, центрируют ион в центральной поре. Четвертый фрагмент содержит три положительно заряженных аргинина, разделенных двумя другими аминокислотами, которые играют роль потенциал-чувствительного сенсора, способного открывать канал при деполяризации мембраны.

Ca2+-каналы могут активироваться низкой или высокой разностью потенциалов. Низкопотенциальные каналы называются Т-каналами, а высокопотенциальные подразделяются на пять групп: L, N, P, Q и R. Они различаются по биофизическим характеристикам и чувствительности к разным ингибиторам. Кальциевые каналы отличаются медленной активацией и очень медленной инактивацией. Порог активации у них значительно выше, чем у натриевых. Например, в кардиомиоцитах с потенциалом покоя – 90 мВ, порог активации Ca2+ каналов L-типа и Na+-каналов 55 и 35 мВ, соответственно.