Одной из характерных черт строения ионных каналов является то, что их внемембранные части значительно выдаются над поверхностью мембраны. Unwin отмечает, что в катионных каналах стенки выступающего вестибюля канала имеют избыточный отрицательный заряд, тогда как анионные каналы в этих местах заряжены избыточно положительно. Так как открытый канал имеет около 2 нм в диаметре, а эффективный радиус электростатического взаимодействия в физиологических растворах составляет около 1 нм, положительный заряд в вестибюле канала может способствовать аккумуляции в нем отрицательных ионов, например, хлоридов в устье глицинового рецептора. Наоборот, в катионном канале в отрицательно заряженном вестибюле могут накапливаться положительно заряженные натрий и кальций. Аккумуляция ионов в вестибюле может способствовать процессу отбора анионным каналом анионов, а катионным каналом – катионов. Надо учесть также, что аккумуляция ионов будет способствовать увеличению проводимости каналов (напомним, что проводимость канала зависит от концентрации ионов).

Потенциал-активируемые каналы

К каналам, специфически активируемым деполяризацией клеточной мембраны, относятся потенциал-активируемые натриевые каналы, отвечающие за фазу деполяризации потенциала действия, и потенциал-активируемые калиевые каналы, ассоциированные, с мембранной реполяризацией. В эту группу также входят потенциал-активируемые кальциевые каналы, которые в некоторых тканях отвечают за генерацию потенциала действия и поддержание длительной деполяризации, а также выполняют много других функций, таких как мышечное сокращение и освобождение нейротрансмиттеров. Каждое из этих трех семейств каналов имеет ряд изоформ, представленных у различных биологических видов и в разных частях нервной системы. Подобно АХР и его аналогам, они также составляют суперсемейство единого генетического происхождения.

Потенциал-активируемые натриевые каналы

Методы, которые были использованы для характеристики молекулярной структуры АХР, были также успешно применены к потенциал-активируемым каналам. Ключевыми шагами в этом процессе были биохимическая экстракция и изоляция протеина с последующим выделением клонов кДНК и расшифровкой аминокислотной последовательности. Также как в случае АХР, электрические рыбы – на этот раз угорь Electrophorus electricus – явились богатым источником канального белка, а высокоаффинные токсины, такие как тетродотоксин (ТТХ) и сакситоксин (STX), обеспечили процесс изоляции протеина. Оба этих токсина блокируют ионную проводимость нативных каналов, закупоривая пору открытого канала. Позже натриевые каналы были изолированы из мозга и скелетной мышцы. Натриевый канал, выделенный из электрического угря, состоит из одного крупного (260 кД) пептида и является типичным представителем семейства структурно сходных протеинов.

В мозге млекопитающих ключевая 260 кД – субъединица натриевого канала ассоциирована с двумя дополнительными субъединицами: (36 кД) и (33 кД). Показано, что присутствие субъединицы значительно повышает скорость инактивации натриевого канала. В мозге было найдено несколько различных вариантов мРНК, кодирующих субъединицу, что объясняет наличие разных подтипов натриевого канала. По крайней мере два дополнительных изоформы натриевого канала выделены из скелетной мышце млекопитающих – одна из взрослой мышцы (RSkMl), и другая, характерная для эмбриональной или денервированной мышцы (RSkM). Третья изоформа этого канала обнаружена в сердечной мышцемлекопитающих). После трансляции происходит интенсивное гликозилирование канального белка. Так, около 30% массы натриевого канала угря составляют углеводы, содержащие большие количества сиаловой кислоты.

Аминокислотная последовательность и третичная структура натриевого канала

Натриевый ионный канал угря представляет собой пептид с последовательностью из 1832 аминокислот, в котором выделяют четыре следующих другом за другом домена (I–IV), каждый из которых содержит от 300 до 400 остатков. Эти домены имеют примерно 50%-ную гомологию аминокислотных последовательностей. Каждый домен является структурным эквивалентом одной субъединицы канальных белков семейства АХР. Однако в отличие от АХР все домены натриевого канала соединены вместе в единый белок. В пределах каждого домена есть множественные гидрофобные или смешанные гидрофобно / гидрофильные (амфотерные) последовательности, обеспечивающие формирование трансмембранных сегментов.

Согласно общепринятой модели топологии канала каждый домен имеет шесть таких трансмембранных сегментов (S1-S6). Так же как в случае АХР, домены натриевого канала располагаются кольцом вокруг поры ионного канала. Особенно интересен сегмент S4, который имеется во всех четырех доменах и несет положительно заряженный аргининовый или лизиновый остаток в каждой третьей позиции трансмембранного сегмента. Предполагается, что это свойство обеспечивает чувствительность канала к электрическому полю и оно имеется у всех потенциал-активируемых ионных каналов.

Потенциал-активируемые кальциевые каналы

Семейство потенциал-активируемых кальциевых каналов содержит несколько подтипов, которые были классифицированы по их функциональным свойствам, таким как чувствительность к деполяризации мембраны и продолжительность открытого состояния. Изоформы кальциевых ионных каналов были клонированы из скелетной, сердечной и гладкой мышцы, а также из мозга. Аминокислотная последовательность первичной канал-формирующей субъединицы) подобна аналогичной субъединице потенциал-активируемого натриевого канала). В частности, трансмембранные сегменты S1-S6 гомологичны таковым натриевого канала. На основании этого предполагается, что кальциевый и натриевый каналы имеют одинаковую третичную структуру (рис. 3.6В).

Хотя для формирования функционирующего кальциевого канала в чужеродных клетках достаточно только субъединицы, в нативных клеточных мембранах найдены три дополнительные субъединицы: димер с внеклеточным пептидом, связанным с трансмембранным пептидом дисульфидной связью; внутриклеточный примембранный белок, и интегральный белок с четырьмя трансмембранными доменами. Коэкспрессия различных комбинаций субъединиц позволила предположить, что субъединицы влияют как на проводимость канала, так и на его кинетику.

Потенциал-активируемые калиевые каналы

Потенциал-чувствительные калиевые каналы играют важную роль в процессах возбудимости и проводимости. Целый ряд разных генов кодирует разнообразные типы калиевых каналов. Первый калиевый канал, у которого была установлена аминокислотная последовательность, был выделен у Drosophila. Он был назван Shaker по генетическому мутанту, у которого был обнаружен дефект этого канала. Особенность этих мутантных мушек заключалась в том, что они трепетали (shaking), когда для их подсчета их анестезировали эфиром. Столь легко распознаваемая мутация обеспечила удобный методический подход для клонирования этого калиевого канала, не требующий обязательной идентификации белка. Генетический анализ позволил установить область примерного расположения гена Shaker в геноме Drosophila. Последующее сопоставление нормальной и мутантной последовательностей в этой области привело к идентификации гена shaker.