Как классифицируются мембранные ионные каналы
Как классифицируются мембранные ионные каналы
• Ионные каналы позволяют ионам проходить через пору, что вызывает быстрые (микросекунды) изменения мембранного потенциала
• Каналы обладают селективностью в отношении определенных ионов, катионов или анионов
• Каналы регулируют внутриклеточную концентрацию таких регуляторных ионов, как Ca 2+
Ионные каналы, регулируемые лигандами, представляют собой белки, пронизывающие мембрану и состоящие из нескольких субъединиц, которые образуют в мембране заполненные водой поры, и регулируют их транспортную активность. На рисунке ниже представлена кристаллическая структура ацетилхолинового никотинового рецептора. При стимуляции внеклеточными агонистами, происходит перегруппировка субъединиц, и они ориентируются таким образом, что пора открывается.
При этом возникает контакт между водной средой, находящейся по обеим сторонам мембраны. Диаметр поры позволяет свободно доффундировать ионам с одной стороны мембраны на другую под действием электрического и химического градиента, который устанавливается за счет функционирования ионных насосов и переносчиков. Селективность каналов по отношению к определенным ионам регулируется изменениями диаметра пор и количеством гидрофильных остатков в составе их белков. Таким образом, ионный канал, играющий роль рецептора, обеспечивает прохождение только определенных катионов или анионов, отобранных из числа многих.
Ионные каналы, регулируемые лигандом, представляют собой самый быстрый из известных в биологии механизмов передачи сигналов. Канал открывается через несколько микросекунд после связывания лиганда-агониста. В синапсах, где нейромедиаторам необходимо диффундировать на расстояние менее чем 0,1 мкм, сигнал в постсинаптическую клетку поступает через 100 микросекунд. Напротив, для G-белков, стимулированных рецепторами, требуется около 100 миллисекунд для того, чтобы прошел обмен ГДФ на ГТФ, а рецепторная протеинкиназа работает еще медленнее.
Наряду с нейронами и мышцами, для многих клеток важнейшими рецепторами являются ионные каналы, находящиеся под контролем лигандов. Важную роль в системе передачи сигналов играют также такие ионные каналы, которые находятся под контролем лигандов, относящихся к другим классам.
Передача сигналов ионными каналами отличается от сигнальных систем с участием рецепторов, описанных в настоящей главе, тем, что для каналов не существует непосредственных белковых мишеней и специфических вторичных мессенджеров. В большинстве случаев поток ионов через канал увеличивает или снижает мембранный потенциал клетки и, таким образом, модулирует все транспортные процессы с участием метаболитов или ионов, которые осуществляются под действием электрического поля
Внутри клетки животных, на мембране, поддерживается отрицательный потенциал за счет удаления ионов Na+ и поступления ионов К+. Таким образом, открытие канала селективного для Na+ приводит к деполяризации клетки, а открытие канала для К+ — к ее гиперполяризации. Аналогичным образом, открытие Cl- каналов также вызывает гиперполяризацию клетки, поскольку ионы Cl-, главным образом, находятся во внеклеточном пространстве. Посредством этих электрических эффектов информация передается эффекторным белкам, которые энергетически сопряжены с мембранным потенциалом или со специфическими ионными градиентами, или же связаны с определенными ионами (например, с ионами Ca 2+ ), концентрация которых при открытии канала меняется.
Холинергический никотиновый рецептор представляет собой селективный катионный канал,
который состоит из пяти гомологичных, но обычно неидентичных субъединиц, образующих олигомер.
Этот олигомер представляет собой первичный а-спиральный кор, проходящий сквозь мембрану.
В этом коре создается сам канал, и его открытие и закрытие обеспечиваются кооперативными изменениями в характере сборки субъединиц.
Структура построена по данным Protein Data Bank file 2BG9.
Ацетилхолиновые никотиновые рецепторы являются прототипом рецепторных ионых каналов и представляют собой первые рецепторы, которые оказались ионными каналами. Они представляют собой неселективные катионные каналы, которые вызывают деполяризацию клетки-мишени за счет входа в нее ионов Na+. Эти рецепторы являются хорошим примером возбудимых рецепторов нейромышечного синапса, где они запускают сокращение, однако в нейронах и во многих других клетках известно существование их альтернативных изоформ.
Постоянная стимуляция каналов NMDA глутаматом, который выходит во внеклеточную среду при повреждениях или при действии лекарств, может вызвать поступление в клетку токсических количеств кальция, что приведет к гибели нейрона.
Вторая функциональная группа рецепторных каналов селективна для анионов и за счет поступления в клетку-мишень ионов Cl- вызывает ее гиперполяризацию. Анион-селективные рецепторы включают рецепторы у-аминомасляной кислоты (GABA) и глицина (Gly). У нейронов гиперполяризация может тормозить инициацию потенциала действия и/или высвобождение нейромедиаторов.
К числу наиболее обширного семейства каналов, контролируемых лигандами, относятся TRP и близкая к ним группа, около 30 представителей которых обнаружены в клетках млекопитающих. Эти каналы также найдены у беспозвоночных. Каналы TRP обладают селективностью по отношению к ионам Ca 2+ и образованы тетрамерами или идентичными субъединицами, окружающими центральный канал. Каждая субъединица состоит из связки шести гомологичных спиралей, проходящих через мембрану. Однако их N- и С-концевые участки содержат несколько различных доменов. Это регуляторные домены, а также домены, ответственные за белковые взаимодействия, в том числе домены протеинкиназы (субстраты которой пока неизвестны).
Еще более разнообразна регуляция функционирования каналов TRP. Различные каналы реагируют на тепло, холод, болевые раздражители, давление и осмомолярность. Активность многих TRP находится под положительным или отрицательным контролем таких липидов, как эйкозаноиды, диацилглицерин и PIP2. Например, капсаицин, обусловливающий жгучий вкус перца, является агонистом некоторых ваниллоидных рецепторов (TRPV). Некоторые каналы TRP являются механосенсорами, которые позволяют ресничкам улавливать токи жидкости. Наиболее известным является сенсорный канал наружных волосковых клеток внутреннего уха. Этот канал открывается, когда под действием тока жидкости, вызванного звуковым воздействием, сгибаются апикальные реснички волосковых клеток.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Как классифицируются мембранные ионные каналы
• Существует два основных типа мембранных транспортных белков: каналы и переносчики
• Ионные каналы катализируют быстрый и избирательный транспорт ионов по электрохимическому градиенту
• Транспортеры и насосы представляют собой белки-переносчики, которым необходима энергия для транспорта веществ против электрохимического градиента
• В каждой клетке несколько различных мембранных транспортных белков действуют как единое целое
Некоторые из транспортных белков находятся в плазматической мембране, в то время как другие входят в состав мембраны клеточных органелл. Для поддержания определенного состава внутриклеточной среды и клеточных компартментов необходимо, чтобы транспортные белки обладали избирательностью по отношению к определенным метаболитам. В зависимости от характера процесса транспорта мембранные транспортные белки подразделяются на две группы: каналы и переносчики.
Канальные белки содержат поры, через которые при открытом канале с высокой скоростью проходят метаболиты. Белок-переносчик связывает метаболит, находящийся по одну сторону мембраны, после чего конформация его меняется, и метаболит высвобождается с другой стороны мембраны.
Существует несколько типов белков, образующих каналы в мембранах. Порины, присутствующие в клетках некоторых прокариот, в митохондриях и в нексусах, где соединяется цитоплазма соседних клеток, обеспечивают прохождение метаболитов в соответствии с размером их молекул.
К более селективным каналам относятся комплексы ядерных пор и каналы, обеспечивающие перемещение белков через мембрану эндоплазматического ретикулума. В статьях на сайте будут рассмотрены ионные каналы и аквапорины, через которые осуществляется селективный трансмембранный перенос ионов и молекул воды соответственно. К настоящему времени описано более 100 различных типов канальных белков. Все они обладают следующими характеристиками:
• селективностью по отношению к переносимому метаболиту,
• высокой скоростью переноса метаболита и
• воротным механизмом, регулирующим транспорт метаболитов.
Участок канального белка, через который осуществляется трансмембранный транспорт, называется порой канала. Канал может находиться в нескольких различных конфигурациях. Некоторые каналы состоят из одного белка, трансмембранные сегменты которого образуют пору. Другие существуют в виде олигомеров, состоящих из идентичных или разных субъединиц, которые вместе образуют пору.
Наконец существуют каналы, состоящие из двух и более субъединиц, каждая из которых сама образует пору. Часто комплексы олигомеров каналов регулируются или позиционируются на определенных мембранах с участием дополнительных субъединиц.
Большинство канальных белков обладают высокой селективностью в отношении определенных метаболитов, например ионов натрия (Na+), калия (К+), кальция (Са2+), хлорида (Сl-) или воды. Другие канальные белки являются неселективными катионными или анионными каналами. Как будет показано далее, при рассмотрении свойств специфических канальных белков, их поры характеризуются определенными структурными особенностями, т. е. являются селективным фильтром, который позволяет им проявлять избирательность по отношению к различным метаболитам.
Каналы и переносчики представляют собой два основных типа белков мембранного транспорта.
Растворенные метаболиты с максимальной скоростью диффундируют через пору каналов,
а переносчики связывают метаболит с одной стороны мембраны, затем претерпевают конформационные изменения и высвобождают его с другой стороны.
Этот процесс протекает значительно медленнее.
Направление потока ионов растворенных веществ через канал определяется электрохимическим градиентом. Иными словами, метаболиты движутся через канал в энергетически-выгодном направлении, т. е. по электрохимическому градиенту. Например, для покоящейся клетки, схематически изображенной на рисунке ниже, существует направленный в клетку ионный поток через Na+-, Са2+-, Cl—каналы, и противоположный, проходящий через К+-каналы.
Так как других источников энергии, кроме электрохимического градиента, в данном случае не используется, то такой тип транспорта называется пассивным. Канальные белки обеспечивают высокую скорость транспорта. Так, для ионных каналов скорость составляет 108 в 1 с, что близко к максимальной скорости диффузии ионов в водной среде.
Транспортные мембранные белки контролируют различные клеточные функции при участии воротного механизма. В основе этого механизма лежит индукция конформационных изменений в белке в ответ на воздействие определенного стимула. Эти изменения приводят к открытию или закрытию канала. Например, открытие и закрытие ионных каналов могут регулироваться лигандами, величиной электрического потенциала, механическими или температурными воздействиями. Активация каналов может происходить очень быстро, что делает их идеальным инструментом обработки поступающих в клетку сигналов.
Например, передача нервного импульса зависит от электрического заряда, который создается ионным каналом в мембране. Каналы также играют важную роль в регуляции объема клетки и внутриклеточного pH, в транспорте солей и воды через эпителиальные клетки, в закислении внутриклеточных органелл и во внеклеточной передаче сигналов.
Транспортеры и насосы представляют собой два основных типа белков-переносчиков.
Транспортеры делятся на три типа, каждый из которых осуществляет один из типов переноса: унипорт, симпорт, или антипорт.
Показано направление электрохимического градиента через мембрану.
В зависимости от типа белка-переносчика транспорт может происходить или в направлении градиента (от высокой концентрации к низкой), или против него.
При транспорте субстратов против градиента концентрации, белки-переносчики используют свободную энергию электрохимического градиента, АТФ или других источников. Поскольку при этом происходит потребление энергии, процесс носит название активный транспорт. Белки-переносчики подразделяются на две группы, транспортеры и насосы.
Для транспортировки субстратов через мембрану транспортеры используют энергию электрохимического градиента. Они подразделяются на унипортеры, симпортеры (или котранс-портеры) и антипортеры (обменники). Для энергозависимого транспорта метаболитов мембранные насосы используют энергию, например высвобождающуюся при гидролизе АТФ. По сравнению с канальными белками, переносчики характеризуются более медленной скоростью транспорта, порядка 1000 молекул в 1 с.
Различают два типа активного транспорта, первичный и вторичный. Белки-переносчики, осуществляющие первичный активный транспорт, в качестве источника энергии используют АТФ и транспортируют метаболиты против электрохимического градиента. Таким образом, они помогают поддерживать градиент концентрации метаболитов по обеим сторонам мембран клетки. Са2+-АТФаза и Na+/К+-АТФаза являются характерными примерами транспортных насосов, которые управляют процессом первичного активного транспорта.
Белки-переносчики, которые участвуют во вторичном активном транспорте, непосредственно не используют энергию АТФ. Вместо этого они используют свободную энергию электрохимического градиента, который возникает за счет первичного активного транспорта. Вторичный активный транспорт происходит с участием симпортеров и антипортеров. Механизмы транспорта метаболитов представлены на рисунке ниже.
В клетке все типы мембранных транспортных белков-каналы, транспортеры и насосы-функционируют совместно. Таким образом, работа какого-либо одного типа транспортного белка зависит от работы других. В данной главе мы рассмотрим несколько примеров такого взаимодействия транспортных белков. Например, ионный градиент по обеим сторонам мембраны поддерживается за счет сложных взаимодействий между различными типами транспортных белков. Для правильного функционирования эпителиальных клеток, например почек, слизистой кишечника и легкого, необходимо протекание транспортных процессов с участием различных ионов и метаболитов. Мы также рассмотрим роль нарушений процессов транспорта в развитии различных заболеваний.
Транспорт растворенных метаболитов через мембрану может быть пассивным или активным.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Яды против ионных каналов
Денис Борисович Тихонов,
доктор биологических наук, заведующий лабораторией биофизики синаптических процессов, Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН
«Химия и жизнь» №3, 2014
Яды природного происхождения — необыкновенно интересный объект для исследований. Только в последние десятилетия стало известно, какие удивительные молекулярные конструкции создала эволюция, чтобы сделать смертельно опасными маленьких лягушек из колумбийских лесов или рыбу фугу. Растительных, животных и бактериальных токсинов известно огромное количество — пожалуй, в этой области биохимия посрамит неорганическую химию, да и решения проблемы нейтрализации врага, представленные живой природой, гораздо изящнее. Остановимся на нескольких, объединенных общей мишенью — все они воздействуют на потенциал-управляемые натриевые каналы в мембранах нервных клеток.
Немного о мишени
Потенциал-управляемые натриевые каналы — ключевой элемент нервной системы животных. Когда нейрон находится в состоянии покоя, на его мембране (представляющей собой конденсатор) за счет работы специальных систем поддерживается определенный электрический потенциал. В это время натриевые каналы закрыты. Когда же происходит деполяризация мембраны, они реагируют на падение мембранного потенциала и открываются (отсюда название «потенциал-управляемые»; бывают и другие каналы, например лиганд-управляемые, которые открываются или закрываются в ответ на присоединение определенной молекулы). Ионы Na + текут внутрь клетки, перенося положительный заряд с внешней стороны на внутреннюю, — потенциал покоя сменяется потенциалом действия.
Генерация и распространение потенциала действия — основа работы всей нервной системы, и главная роль здесь принадлежит именно потенциал-управляемым натриевым каналам. Понятно, что один из самых быстрых и эффективных способов нейтрализовать врага состоит в том, чтобы нарушить деятельность его нервной системы. Поэтому натриевые каналы — прекрасная мишень для разнообразных токсинов.
Ионный канал — это белковая молекула, пронизывающая липидный бислой клеточной мембраны. Как и многие другие белки, канал «собран» из двух больших доменов — блоков, отвечающих за основные функции. У каналов обычно бывает не меньше двух доменов: один формирует собственно пору в мембране, а другой реагирует на внешние воздействия и управляет открытием и закрытием поры. Сборка сложных белков из таких больших блоков обеспечивает широкие возможности их молекулярной эволюции. Другой типичный прием эволюции — создавать семейства гомологичных (то есть имеющих одно происхождение и общую принципиальную структуру) белков. По-разному изменяя свойства «прототипа», природа получает сходные белки с различной специализацией. Так, потенциал-управляемые натриевые каналы гомологичны ряду других каналов — прежде всего, потенциал-управляемым калиевым и кальциевым каналам. Различаются они главным образом конструкцией «селективного фильтра» — узкого участка поры, где на основе тонких молекулярных взаимодействий происходит отбор ионов, для которых канал проницаем.
Первые детальные сведения об устройстве каналов этого семейства,— результаты рентгеноструктурного анализа для калиевых каналов бактерий — были опубликованы в 1998 году. Руководитель работы, Родерик Маккиннон из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, стал нобелевским лауреатом по химии всего через пять лет, в 2003-м, — настолько очевидно было научному сообществу значение этих результатов. Без преувеличения, они открыли новую эру в понимании устройства и функций ионных каналов.
Практически все структурные элементы канала могут стать мишенями токсинов. Мы расскажем только о трех типах токсинов, которые воздействуют на пору натриевых каналов. Тетродотоксин рыбы фугу, конотоксины моллюсков Conus и батрахотоксин лягушек-листолазов — три независимые «военные разработки», решающие одну и ту же задачу.
Прежде чем перейти к тому, как действуют токсины (а «механику» их работы мы будем описывать достаточно подробно, иногда с разрешением до атомарного), сделаем еще одно отступление. Откуда эти сведения берутся? Кажется, что в XXI веке можно «просто посмотреть», то есть получить рентгеновскую структуру канала в комплексе с токсином. Но не тут-то было. Проблема в том, что каналы не относятся к водорастворимым белкам: они существуют внутри мембраны, при этом наружная и внутренняя части находятся в водной среде. Получение кристаллов для таких белков — неимоверно трудная задача, а нет кристаллов — нет и рентгеноструктурного анализа. Хотя со времен прорыва, осуществленного Маккинноном, появилось довольно много рентгеновских структур каналов, в общем виде задача далека от решения. Каждая новая структура — плод многолетних методологических ухищрений и ценится буквально на вес золота. В частности, для интересующих нас (в том числе и по практическим нуждам) потенциал-управляемых каналов позвоночных таких структур не было и нет. Тем более, увы, в комплексах с токсинами.
Имеющиеся у ученых данные собраны буквально по крупицам. Прежде всего это результаты огромных усилий нейрофизиологов, которые описывают действие токсинов на клетку и организм — конечный эффект заметить нетрудно, но необходимы специальные эксперименты, чтобы понять, что именно пошло не так, когда сработал токсин. Затем это работа нейрохимиков и фармакологов, которые выясняют, как зависит действие токсинов от их структур. Дальше приходит черед молекулярных биологов — они получают мутантных подопытных животных, чтобы показать, каким образом та или иная мутация изменяет чувствительность к яду. (Конечно, устойчивые к ядам особи и даже виды могут встречаться и в природе: в эволюции всегда есть место «гонке вооружений».) Если знать, какой аминокислотный остаток в каком участке белка заменен у животного, устойчивого к токсину, можно заключить, что с этим участком токсин и связывается. Для воссоздания структурной картины действия ядов используют данные по рентгеноструктурному анализу родственных белков, близких по строению. Занимаются этим теоретики, разрабатывающие молекулярные модели и пытающиеся уложить весь набор разнородных данных в единую концепцию. К этим последним принадлежит и автор статьи.
Тетродотоксин как пробка
Рыба фугу — японский деликатес, популярный у любителей острых ощущений. «Хочешь есть фугу — напиши завещание», «Кто ест фугу, тот глуп, и кто не ест, тоже глуп». Фугу делают из нескольких видов рыб семейства иглобрюхих (Tetraodontidae). Не все иглобрюхие ядовиты, и даже внутри опасного вида возможны вариации по этому показателю — так, менее ядовитых рыб можно получить в аквакультуре, контролируя их диету. Тем не менее готовить рыб фугу разрешено только поварам, имеющим специальные сертификаты. Малейшее нарушение технологии, и гурман, получив порцию тетродотоксина, умирает. Это не шутки: каждый год происходит по нескольку таких случаев.
Тетродотоксин — один из самых высокоактивных токсинов в природе. (Справедливости ради, в последние годы среди ученых крепнет убеждение, что тетродотоксин вырабатывают не сами рыбы, а бактерии рода Vibrio, обитающие в их организме.) Естественно, изучению того, как и где эта сложно устроенная молекула связывается с натриевым каналом, посвящено множество работ, выполненных на протяжении нескольких десятилетий. Однако более-менее разобраться в этом вопросе удалось сравнительно недавно. Тетродотоксин связывается во внешнем вестибюле канала, аккурат там, где расположен селективный фильтр. Если использовать не вполне научную терминологию, то данное действие можно уподобить затыканию бутылки пробкой. Да и коническая форма молекулы тетродоксина наталкивает на такую аналогию.
Чтобы понять причины необычайно высокой активности тетродотоксина, надо приглядеться к самой молекуле. Она сравнительно небольшая, но имеет жесткий каркас, который «декорирован» большим числом функционально активных групп. Поразительно, но, по данным экспериментов, КАЖДАЯ из них имеет специфического «ответчика» в поре (см. рисунок). При этом сама геометрия тетродотоксина практически идеально соответствует воронкообразной структуре внешнего вестибюля канала. Малейшие изменения в структуре токсина или канала нарушают химико-стерическую комплементарность и приводят к резкой потере активности.
Конотоксин как крышка
Конотоксины — пептиды, как правило, с несколькими цистеиновыми S-S-мостиками, которые обеспечивают более или менее жесткую укладку аминокислотной цепочки. При этом если тетродотоксин — это одна высокоспецифическая молекула, то конусы производят множество пептидных токсинов, принадлежащих к разным семействам и атакующих различные мишени.
Те из них, которые воздействуют на потенциал-управляемые каналы, — так называемые мю-конотоксины — также высокоспецифичны. Они связываются в том же внешнем вестибюле натриевого канала, что и тетродотоксин. Но размеры у них совершенно другие — пептидный токсин внутрь узкой части канала пройти не может, поэтому он садится на канал сверху. Продолжая нашу аналогию, это уже не пробка, а крышка.
Однако пептидные токсины (в отличие от тетродотоксина) обладают известной гибкостью. Плотно прижать такую крышку, чтобы даже маленький ион натрия не проскочил, невозможно. Поэтому конотоксины реализуют иную стратегию для блокирования канала. Чтобы войти в его узкую часть, положительно заряженный ион натрия должен взаимодействовать там с отрицательно заряженными остатками аспартата и глутамата. Такие взаимодействия позволяют иону избавиться от «шубы» из молекул воды. Именно на аспартаты и глутаматы внешнего вестибюля охотится конотоксин. У него много положительно заряженных остатков лизина и аргинина. Эти остатки, как щупальца осьминога, опускаются на вестибюль канала и связывают необходимые для прохождения натрия остатки аспартатов и глутаматов. В результате канал не перекрыт полностью, но все равно блокирован.
Интересно, что некоторые мю-конотоксины (в том числе искусственно созданные мутанты) не блокируют проводимость полностью, а лишь в той или иной степени ее уменьшают. Долгое время никто не понимал, как реализуется эта остаточная проводимость. Сейчас нам представляется, что если у конотоксина есть некий дефицит положительно заряженных аминокислот, то он не может иммобилизовать и нейтрализовать все необходимые для проводимости ионов натрия остатки, и там, где хотя бы один из них остается свободным, ионы все же могут проходить в канал.
Батрахотоксин как распорка
Третий класс соединений, воздействующих на потенциал-зависимые натриевые каналы, представляет батрахотоксин южноамериканских лягушек листолазов (Phyllobates). Примечательно, что ядовитыми их делает диета: алкалоиды, необходимые для синтеза батрахотоксина, содержатся в членистоногих, которыми они питаются в природе; новорожденные листолазы и те, которые содержатся в неволе, неядовиты. Это один из сильнейших ядов: полулетальная доза, рассчитанная для употребления внутрь, — 2–7 мкг/кг (у стрихнина, например, миллиграммы на килограмм, у тетродотоксина — сотни микрограммов на килограмм).
Известны также аналоги батрахотоксина другого происхождения. Самые знаменитые их них — растительные токсины вератридин и аконитин. Как видно на рисунке, это достаточно сложно организованные органические соединения, и феноменология их действия на натриевые каналы также сложна.
Главное их отличие от рассмотренных выше тетродотоксина и конотоксинов состоит в том, что они канал не блокируют. Наоборот, связывание этих токсинов приводит к тому, что канал удерживается в открытом состоянии и непрерывно пропускает ионы. Но хотя механизм действия абсолютно противоположный, биологический эффект тот же — плачевный для жертвы. И в том и в другом случае генерация и распространение потенциалов действия становятся невозможными, поскольку нарушены механизмы нормальной, управляемой потенциалом мембраны, активации канала.
Долгое время считалось, что батрахотоксин и его аналоги действуют на канал через липидную фазу (так как они способны проникать в мембрану) и загадочным образом меняют его характеристики. Концепция эта держалась до тех пор, пока не стали доступны данные точечных мутаций. Они однозначно показали, что эти токсины должны связываться в поре ионного канала и нигде более. Что же они там делают, за счет чего свойства канала так радикально изменяются? Достаточно долго это оставалось загадкой, и ее решение впервые предложил мой коллега Б.С. Жоров.
Отсюда возникла модель, которую мы разрабатывали в дальнейшем. Суть ее в том, что молекула токсина связывается в поре канала и при этом обращает внутрь поры эти самые три кислорода. И несмотря на то что такая относительно большая молекула находится в канале, она его не перекрывает, проницаемость для ионов натрия сохраняется — можно сказать, что молекула батрахотоксина скользкая для ионов, именно за счет кислородной триады. Это предположение позволило объяснить все основные эффекты. Если снова использовать ненаучную аналогию, батрахотоксин — своего рода распорка, подобие стента, который хирург вставляет в сосуд кровеносной системы, чтобы не дать ему схлопнуться. Батрахотоксин, вератридин и аконитин садятся в канал, распирают его и не позволяют закрываться, тем самым обеспечивая непрерывный ток ионов.
На основании этой концепции было сделано несколько работ, предсказаны новые мутации, причем все наши предположения достаточно хорошо подтвердились. На сегодня это наиболее современное представление о том, как действует данный класс активаторов потенциал-зависимых натриевых каналов.
Итак, на нескольких примерах мы увидели, какими разнообразными и изощренными могут быть молекулярные механизмы действия токсинов на натриевые каналы. А это лишь несколько кусочков огромной мозаики действия токсинов на специфические белки. Многие проблемы пока еще остаются нерешенными.
Зачем все это нужно?
Практическая польза от подобных фундаментальных исследований очевидна. Из всего объема медицинской фармакологии порядка 10% соединений имеют мишенями именно ионные каналы. Это анестетики, анальгетики, антиаритмики и множество других классов фармакологических агентов. С блокаторами потенциал-управляемых каналов на практике сталкивался каждый, кому доводилось бывать у стоматолога. Ведь используемые для обезболивания местные анестетики — тоже блокаторы именно этих каналов. Все их отличие от тетродотоксина в том, что они действуют только в высоких концентрациях — иначе говоря, только вблизи места укола. Местные анестетики препятствуют возникновению потенциалов действия, а значит, и передаче в мозг болевых сигналов.
Современная медицина постоянно нуждается в новых активных и избирательных фармакологических агентах, чтобы по возможности минимизировать побочные эффекты применения лекарств. На разработку новых препаратов тратятся огромные деньги. Но как же искать новые вещества, если мы не знаем, каковы механизмы действия уже известных соединений? Случайный перебор слишком дорого обходится. Рациональный поиск может основываться только на глубоком научном понимании механизмов действия препаратов — во всем диапазоне от молекул до целых организмов.