Каналы хлорида представляют собой суперсемейство плохо изученных ионных каналов, специфичных для хлорида . Эти каналы могут проводить множество различных ионов, но названы в честь хлорида, поскольку его концентрация in vivo намного выше, чем у других анионов. [1] Несколько семейств потенциалзависимых каналов и лигандзависимых каналов (например, семейства CaCC ) были охарактеризованы у людей.
Потенциал-зависимые хлоридные каналы выполняют многочисленные важные физиологические и клеточные функции, такие как контроль pH, гомеостаза объема, транспорт органических растворенных веществ, регулирование миграции клеток, пролиферации и дифференциации. На основе гомологии последовательностей хлоридные каналы можно разделить на несколько групп.
Потенциал-зависимые хлоридные каналы важны для установки мембранного потенциала покоя клетки и поддержания надлежащего объема клетки. Эти каналы проводят Cl − или другие анионы, такие как HCO−3, I − , SCN − , и NO−3. Структура этих каналов не похожа на другие известные каналы. Субъединицы хлоридных каналов содержат от 1 до 12 трансмембранных сегментов. Некоторые хлоридные каналы активируются только напряжением (т.е. потенциал-зависимые), в то время как другие активируются Ca 2+ , другими внеклеточными лигандами или pH. [2]
Семейство CLC хлоридных каналов содержит 10 или 12 трансмембранных спиралей . Каждый белок образует одну пору. Было показано, что некоторые члены этого семейства образуют гомодимеры . С точки зрения первичной структуры они не связаны с известными катионными каналами или другими типами анионных каналов. У животных обнаружено три подсемейства CLC. CLCN1 участвует в установке и восстановлении мембранного потенциала покоя скелетных мышц, в то время как другие каналы играют важную роль в механизмах концентрации растворенных веществ в почках. [3] Эти белки содержат два домена CBS . Хлоридные каналы также важны для поддержания безопасной концентрации ионов в растительных клетках. [4]
Структура канала CLC пока не определена, однако структура обменников CLC была определена с помощью рентгеновской кристаллографии . Поскольку первичная структура каналов и обменников очень похожа, большинство предположений о структуре каналов основаны на структуре, установленной для бактериальных обменников. [5]
Каждый канал или обменник состоит из двух похожих субъединиц — димера — каждая субъединица содержит одну пору. Белки образованы из двух копий одного и того же белка — гомодимера — хотя ученые искусственно объединили субъединицы из разных каналов, чтобы сформировать гетеродимеры. Каждая субъединица связывает ионы независимо от другой, что означает, что проводимость или обмен происходят независимо в каждой субъединице. [3]
Каждая субъединица состоит из двух связанных половин, ориентированных в противоположных направлениях, образуя «антипараллельную» структуру. Эти половинки объединяются, образуя анионную пору. [5] Пора имеет фильтр, через который могут проходить хлорид и другие анионы, но пропускает мало что еще. Эти заполненные водой поры фильтруют анионы через три сайта связывания — S int , S cen и S ext — которые связывают хлорид и другие анионы. Названия этих сайтов связывания соответствуют их положению внутри мембраны. S int подвергается воздействию внутриклеточной жидкости, S cen лежит внутри мембраны или в центре фильтра, а S ext подвергается воздействию внеклеточной жидкости. [4] Каждый сайт связывания одновременно связывает различные анионы хлорида. В обменниках эти ионы хлорида не взаимодействуют сильно друг с другом из-за компенсирующих взаимодействий с белком. В каналах белок не экранирует ионы хлорида в одном сайте связывания от соседних отрицательно заряженных хлоридов. [6] Каждый отрицательный заряд оказывает отталкивающую силу на отрицательные заряды рядом с ним. Исследователи предположили, что это взаимное отталкивание способствует высокой скорости проводимости через пору. [5]
Транспортеры CLC переносят H + через мембрану. Путь H + в транспортерах CLC использует два остатка глутамата — один на внеклеточной стороне, Glu ex , и один на внутриклеточной стороне, Glu in . Glu ex также служит для регулирования обмена хлорида между белком и внеклеточным раствором. Это означает, что хлорид и протон разделяют общий путь на внеклеточной стороне, но расходятся на внутриклеточной стороне. [6]
Каналы CLC также зависят от H + , но для гейта, а не обмена Cl − . Вместо использования градиентов для обмена двух Cl − на один H + , каналы CLC транспортируют один H + , одновременно транспортируя миллионы анионов. [6] Это соответствует одному циклу медленного гейта.
Эукариотические каналы CLC также содержат цитоплазматические домены . Эти домены имеют пару мотивов CBS, функция которых пока полностью не охарактеризована. [5] Хотя точная функция этих доменов полностью не охарактеризована, их важность иллюстрируется патологиями , возникающими в результате их мутации. Болезнь Томсена , болезнь Дента , детский злокачественный остеопетроз и синдром Барттера — все это генетические нарушения, вызванные такими мутациями.
По крайней мере одна роль цитоплазматических доменов CBS касается регулирования через аденозиновые нуклеотиды . Конкретные транспортеры CLC и белки имеют модулированную активность при связывании с АТФ , АДФ , АМФ или аденозином в доменах CBS. Конкретный эффект уникален для каждого белка, но подразумевается, что определенные транспортеры CLC и белки чувствительны к метаболическому состоянию клетки. [6]
S cen действует как первичный селективный фильтр для большинства белков CLC, пропуская следующие анионы, от наиболее селективных к наименее: SCN − , Cl − , Br − , NO−
3, I − . Изменение остатка серина в селективном фильтре, обозначенном как Ser cen , на другую аминокислоту изменяет селективность. [6]
Пропуск осуществляется посредством двух механизмов: протопорового или быстрого пропускания и общего или медленного пропускания. Общее пропускное действие подразумевает одновременное закрытие пор обеими белковыми субъединицами (кооперация), в то время как протопоровое пропускное действие подразумевает независимое открытие и закрытие каждой поры. [5] Как следует из названия, быстрое пропускное действие происходит гораздо быстрее, чем медленное. Точные молекулярные механизмы пропускного действия все еще изучаются.
Для каналов, когда медленные ворота закрыты, ионы не проникают через пору. Когда медленные ворота открыты, быстрые ворота открываются спонтанно и независимо друг от друга. Таким образом, белок может иметь оба ворота открытыми, или оба ворота закрытыми, или только одни из двух ворот открытыми. Исследования одноканального патч-клампа продемонстрировали это биофизическое свойство еще до того, как была разрешена двухпоровая структура каналов CLC. Каждый быстрый шлюз открывается независимо от другого, и ионная проводимость, измеренная во время этих исследований, отражает биномиальное распределение. [3]
Транспорт H + способствует открытию общих ворот в каналах CLC. Для каждого открытия и закрытия общих ворот один H + транспортируется через мембрану. Общие ворота также зависят от связывания аденозиновых нуклеотидов с внутриклеточными доменами CBS. Ингибирование или активация белка этими доменами специфичны для каждого белка. [6]
Каналы CLC позволяют хлориду течь по его электрохимическому градиенту, когда они открыты. Эти каналы экспрессируются на клеточной мембране. Каналы CLC способствуют возбудимости этих мембран, а также транспортируют ионы через мембрану. [3]
Обменники CLC локализуются во внутриклеточных компонентах, таких как эндосомы или лизосомы, и помогают регулировать pH их компартментов. [3]
Синдром Барттера , связанный с потерей соли почками и гипокалиемическим алкалозом , обусловлен дефектным транспортом ионов хлора и связанных ионов в толстой восходящей части петли Генле . Предполагается, что в этом замешан CLCNKB . [7]
Другим наследственным заболеванием, которое поражает почечные органы, является болезнь Дента , характеризующаяся низкомолекулярной протеинурией и гиперкальциурией , в развитии которой участвуют мутации в гене CLCN5 . [7]
Болезнь Томсена связана с доминантными мутациями, а болезнь Беккера — с рецессивными мутациями в CLCN1 . [7]
Члены семейства эпителиальных хлоридных каналов (E-ClC) (TC# 1.A.13) катализируют двунаправленный транспорт ионов хлора. У млекопитающих существует несколько изоформ (не менее 6 различных генных продуктов плюс варианты сплайсинга) белков эпителиальных хлоридных каналов, каталогизированных в семействе вспомогательных хлоридных каналов (CLCA). [8] Первым охарактеризованным членом этого семейства был белок хлоридного канала респираторного эпителия, регулируемый Ca 2+ , выделенный из апикальных мембран трахеи быка. [9] Он был биохимически охарактеризован как комплекс массой 140 кДа. Белок EClC быка состоит из 903 аминокислот и четырех предполагаемых трансмембранных сегментов. Очищенный комплекс при восстановлении в плоском липидном бислое вел себя как анион-селективный канал. [10] Он регулировался Ca 2+ через механизм, зависимый от кальмодулинкиназы II. Отдаленные гомологи могут присутствовать у растений, инфузорий и бактерий, Synechocystis и Escherichia coli , поэтому по крайней мере некоторые домены в белках семейства E-ClC имеют древнее происхождение.
Семейство внутриклеточных ионных каналов хлорида (CLIC) (TC# 1.A.12) состоит из шести консервативных белков у людей ( CLIC1 , CLIC2 , CLIC3 , CLIC4 , CLIC5 , CLIC6 ). Члены существуют как мономерные растворимые белки, так и интегральные мембранные белки , где они функционируют как хлорид-селективные ионные каналы. Считается, что эти белки функционируют в регуляции мембранного потенциала и в трансэпителиальном поглощении и секреции ионов в почках. [11] Они являются членами суперсемейства глутатион-S-трансферазы (GST).
Они обладают одним или двумя предполагаемыми трансмембранными α-спиральными сегментами (TMS). Бычий белок p64 имеет длину 437 аминокислотных остатков и имеет два предполагаемых TMS в положениях 223-239 и 367-385. N- и C-концы являются цитоплазматическими, а большая центральная люминальная петля может быть гликозилирована . Человеческий ядерный белок (CLIC1 или NCC27) намного меньше (241 остаток) и имеет только один предполагаемый TMS в положениях 30-36. Он гомологичен второй половине p64.
Структурные исследования показали, что в растворимой форме белки CLIC принимают GST-складку с активным сайтом, демонстрирующим консервативный мотив глутаредоксина монотиола, аналогичный GST класса омега. Аль Хамичи и др. продемонстрировали, что белки CLIC обладают глутаредоксин-подобной глутатион-зависимой оксидоредуктазной ферментативной активностью . [12] CLIC 1, 2 и 4 демонстрируют типичную глутаредоксин-подобную активность, используя 2-гидроксиэтилдисульфид в качестве субстрата. Эта активность может регулировать функцию ионного канала CLIC. [12]
Обобщенная транспортная реакция, предположительно катализируемая хлоридными каналами, выглядит следующим образом:
CFTR — это хлоридный канал, принадлежащий к суперсемейству транспортеров ABC . Каждый канал имеет два трансмембранных домена и два нуклеотидсвязывающих домена. Связывание АТФ с обоими нуклеотидсвязывающими доменами вызывает изменения, которые приводят к ассоциации этих доменов, что в дальнейшем приводит к изменениям, которые открывают ионную пору. Когда АТФ гидролизуется, нуклеотидсвязывающие домены снова диссоциируют, и пора закрывается. [13]
Муковисцидоз вызывается мутациями в гене CFTR на хромосоме 7, наиболее распространенной мутацией является deltaF508 (делеция кодона, кодирующего фенилаланин, который занимает 508-ю аминокислотную позицию в нормальном полипептиде CFTR). Любая из этих мутаций может помешать правильному сворачиванию белка и вызвать его последующую деградацию, что приводит к уменьшению количества хлоридных каналов в организме. [ необходима цитата ] Это вызывает накопление слизи в организме и хронические инфекции. [13]
На момент редактирования в этой статье используется контент из "1.A.13 The Epithelial Chloride Channel (E-ClC) Family" , который лицензирован таким образом, что позволяет повторное использование в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License , но не под GFDL . Все соответствующие условия должны быть соблюдены. На момент редактирования в этой статье используется контент из "1.A.12 The Intracellular Chloride Channel (CLIC) Family" , который лицензирован таким образом, что позволяет повторное использование в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License , но не под GFDL . Все соответствующие условия должны быть соблюдены.