Роковое число 23, маленькое продолжение

МЕНЮ


Новости ИИ
Поиск

ТЕМЫ


Внедрение ИИНовости ИИРобототехника, БПЛАТрансгуманизмЛингвистика, рбработка текстаБиология, теория эволюцииВиртулаьная и дополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информации

АРХИВ


Июнь 2017
Май 2017
Апрель 2017
Март 2017
Февраль 2017
Январь 2017
Декабрь 2016
Ноябрь 2016
Октябрь 2016
Сентябрь 2016
Август 2016
Июль 2016
Июнь 2016
Май 2016
Апрель 2016
Март 2016
Февраль 2016
Январь 2016
0000

RSS


RSS новости
птичий грипп

Новостная лента форума ailab.ru

2017-02-22 17:20

нейронные сети

О чем бы мы ни говорили — о сокращении сердца, о передаче нервного импульса, о работе мозга, о поддержании кислотно-щелочного равновесия, о выделении гормонов эндокринными клетками — мы каждый раз, так или иначе, сталкиваемся с элементом, чья молярная масса равна 23 г/моль. В этом небольшом обзоре мы рассмотрим главным образом трансмембранный транспорт ионов натрия, коснемся роли последнего в физиологии и совсем чуть-чуть скажем об использовании знаний о разнообразных белках, транспортирующих этот ион, в фармакологии.

Для нормальной жизнедеятельности клетки одноклеточных организмов должны постоянно контролировать баланс электролитов и протонов внутри себя, а также адекватно реагировать на изменения внеклеточной среды — ионы натрия используются, например, для транспорта питательных веществ. У многоклеточных (а также колониальных) организмов разнообразные ионы участвуют и во взаимодействии между клетками, связывая их в единое, или в более-менее единое, целое. Как известно, между клеткой и внеклеточной средой существует электрохимический градиент концентраций — другими словами, наблюдается разница в зарядах и в концентрациях ионов по обе стороны мембраны, которая в состоянии покоя поддерживается относительно постоянной (рис.1). Межклеточный сигналинг, а также упомянутый транспорт веществ происходит за счет реализации потенциальной энергии электрохимического градиента при определенных стимулах.

Итак, натрий. Во внеклеточной жидкости концентрация этого иона в десятки раз выше его содержания в цитоплазме. За счет чего поддерживается такой мощный градиент? Здесь играют роль несколько факторов. Первое - мембрана клетки непроницаема для заряженных молекул и ионов, второе - существует специальный белок, всем знакомый со школы - Na+/K+ АТФ-аза. И о ней мы поговорим поподробнее.

Данная АТФ-аза является ключевым белком, контролирующим гомеостаз ионов К+ и Na+ внутри клетки, и именно благодаря ней создается постоянный электрический потенциал между наружной и внутренней сторонами мембраны. Na+/K+-зависимая АТФ-аза — гетеродимерный белок, относится к АТФ-азам Р-типа, т.е. становится активной после гидролиза АТФ и аутофосфорилирования остатков аспартата. До начала цикла (см. схему) АТФ связывается с АТФ-азой в специальном домене, происходит связывание трех ионов Na+ с ферментом. Затем, за счет энергии гидролиза макроэрга, выделившийся фосфат фосфорилирует аспартат, в результате чего конформация белка изменяется, и натрий фиксируется на АТФ-азе. Потом сродство к натрию снижается, и он выходит в межклеточное пространство, а к АТФ-азе присоединяется два иона калия. Белок дефосфорилируется, калий фиксируется - а затем, при присоединении молекулы АТФ калий покидает фермент и попадает в клетку. Обратите внимание, что цикл может идти в обоих направлениях. Так, при ишемии миокарда возможна генерация АТФ за счет обратного транспорта (в принципе, естественного — по градиентам концентрации), в результате чего возникает выравнивание концентраций по обе стороны мембраны и гибели клетки.

Стоит отметить, в почках натрий/калиевая АТФ-аза играет огромную роль в реабсорбции - располагаясь в базолатеральных частях эпителиальных клеток, она постоянно выкачивает натрий из эпителиальных клеток в плазму. Образуется градиент концентраций между просветом канальца и клеткой, в результате чего натрий реабсорбируется.

На активность натрий-калиевого насоса оказывает влияние целый спектр веществ. Инсулин, бета-адреностимуляторы повышают функцию белка, альфа — наоборот; тиреоидные гормоны увеличивают количество активных АТФ-аз на мембране, воздействуя на аппарат транскрипции клеток; сердечные гликозиды, такие как уабаин и дигиталис, являющиеся специфическими ингибиторами АТФ-азы блокируют ее, пока она в закрытом состоянии — их используют для лечения сердечной недостаточности. Суть эффекта гликозидов в том, что при повышении концентрации натрия внутри клетки активнее работает антипортер Na/Ca, закачивая кальций в цитоплазму, а, как мы помним, последний является основным ионом сокращения мышечных волокон. Некоторые токсины — палитоксин, сангвинарин — ингибируют данный фермент, причем он блокируется в открытом состоянии, так что ионы калия и натрия движутся по своим градиентам концентрации, следствием чего может являться осмотический шок и гибель клетки.
О регуляции данной АТФ-азы можно говорить часами, но нам нужно двигаться дальше.

Итак, мы обсудили, как клетка регулирует содержание натрия и калия. Но каким образом натрий попадает внутрь, раз мембрана непроницаема для ионов? А теперь вспомним классификацию белков, осуществляющих транспорт последних. Все их многообразие можно разделить на два типа — каналы и переносчики. У последних, в свою очередь, выделяют транспортеры (уни-, анти-, котранспортеры) и насосы. Один из насосов мы уже разобрали — и можно обобщить, сказав, что все насосы используют энергию АТФ, т.е. осуществляют первично-активный транспорт. К слову, есть и другие белки, переносящие натрий против градиента концентраций: 3Na/Ca-обменник, закачивающий кальций в клетку в фазу I ПД кардиоцитов, 4Na/K,Ca-обменник, участвующий в световой адаптации и Na-3HCO3-котранспортер, функционирующий в почках и участвующий в поддержании рН в крови и моче, но они не относятся к ионным насосам.

При работе белков-транспортеров же наблюдается вторично-активный транспорт, т.е. для переноса одного вещества/иона используется градиент концентрации какого-нибудь другого иона. Самые популярные ионы, участвующие во вторично-активном транспорте — ионы натрия, что замечательным, удивительным образом совпадает с нашей темой (но поговорим мы о них в следующий раз). Пока же начнем с самого простого — с белков, осуществляющих пассивный транспорт (без затрат какой-либо энергии), т.е. с каналов.

Все каналы устроены схожим образом. Имеется пора, через которую происходит транспорт, селективный фильтр внутри поры, который обеспечивает перемещение именно определенных ионов. Так называемые "управляемые" каналы обладают также "сенсорами" — субъединицами/доменами субъединиц, реагирующими на различные стимулы, в связи с чем различают потенциалчувствительные, лигандчувствительные, механочувствительные и рецепторчувствительные. У некоторых каналов имеется одна субъединица, образующая пору, некоторые же представляют собой комплекс из нескольких субъединиц, но тем не менее, имеется ряд свойств, характерных для всех: селективность, высокая скорость переноса, наличие воротного механизма. По поводу селективности: в растворе молекулы и ионы гидратированы, то бишь окружены гидратной оболочкой, из-за чего заряд данного иона сильно уменьшается. Каждый ион обладает собственной электронной плотностью — чем она выше, тем большим количеством "слоев" диполей воды будет ион окружен. Каналы не пропускают гидраты, соответственно селективность определяется именно способностью канала (точнее — селективного фильтра) за счет противоположного заряда аминокислот катализировать энергетически выгодный процесс частичной дегидратации — разорвать связи иона с водой и связать его с остатками аминокислот.

Натриевые каналы, независимо от чего они активируются, в большинстве своем выполняют фукнцию быстрого изменения мембранного потенциала. Потенциал-зависимые представляют собой комплекс из трех субъединиц: порообразующей (альфа) и двух вспомогательных. Первая состоит из четырех доменов (см. рис.), различают также Р-петли, соединяющие 5 и 6 сегменты, которые являются частью селективного фильтра. В состоянии покоя канал закрыт — роль задвижки выполняет последовательность, расположенная между сегментами 3 и 4. Стоит же только мембранному потенциалу измениться в сторону более положительных значений, канал открывается, и ионы натрия буквально в течении каких-то милисекунд устремляются внутрь клетки, и тут же инактивируется вплоть до того момента, как мембрана обратно не реполяризуется. Отметим, что это касается именно быстрых натриевых каналов. Что, кстати, для них характерно, при медленной деполяризации и при менее отрицательных дефолтных значениях мембранного потенциала, они могут перейти в неактивное состояние, не успев активироваться — как и происходит в клетках пейсмейкеров в сердце, где функционируют медленные натриевые каналы — "каналы утечки".

Также натриевые каналы участвуют в передаче нервного импульса в ЦНС и ПНС, вызывая быстрое распространение потенциала по всему волокну. В связи с этим их используют как мишени для местной анестезии. Механизм действия анестетиков следующий: препарат проникает через мембрану, связывается с каналом у внутренней части поры, переводя его в неактивную форму. Тетродотоксин, выделяемый из рыб отряда Четырехзубообразные, блокирует натриевые каналы, абсолютно прерывая передачу какого-бы то ни было сигнала. Если это происходит при поедании рыбки-фуги, то есть вероятность словить паралич, а вместе с ним и смерть, но в дозах до 10 мкг есть перспективы применения этого вещества для купирования нейропатических болей, для использования в местной анестезии. Менее агрессивные блокаторы натриевых каналов уже давно используются как обезболивающие, как антиаритмики (пусть и не так популярны, как блокаторы кальциевых), а также применяются для купирования спазмов гладкой мускулатуры кишечника, например при СРК. Некоторые болезни связаны с мутациями генов каналов: к примеру, одной из вариации синдрома удлиненного QT — LQT3 является мутация в гене SCN1, кодирующего альфа-субъединицу натриевых каналов.

Скажем напоследок, что имеется и особый подвид натриевых каналов — эпителиальные натриевые каналы (ENaCs), о которых уже писали на Медаче (https://vk.com/medach?w=wall-60511457_175454), их задача уже совершенно другая.

Пожалуй, на этом пока и закончим, а в следующем небольшом посте разберем оставшиеся два вида белков, принимающих участие в транспорте натрия.

К слову, есть пусть и не самая красочная, но зато понятная схема работы воротного механизма натриевого канала: https://youtu.be/MfcDBcDEJxQ

Итак, в прошлый раз мы разобрали первично-активный и пассивный транспорт ионов натрия через клеточную мембрану, сейчас же речь пойдет о белках, переносящих другие молекулы и ионы за счет градиента концентрации Na+ (или же наоборот), т.е. осуществляющих вторично-активный транспорт.

Начнем с белков-антипортеров, т.е. с белков, осуществляющих противоположный транспорт частиц. Механизм их работы заключается, в целом, в том, что одно вещество (ион), выполняющее вспомогательную роль, присоединяется к белку с той стороны мембраны, где его концентрация больше — это приводит к изменению конформация транспортёра, и последний может связать в сайте связывания на противоположной стороне требуемый для переноса ион. В итоге, получается, что вспомогательное вещество движется по градиенту своей концентрации, а те молекулы, ради которых всё задумывалось — против. Стоит отметить, что именно так всё и происходит в большинстве случаев, но, по сути, транспорт может осуществляться и без наличия градиента концентраций по обе стороны мембраны— важно лишь, чтобы ион был и мог связаться с соответствующим сайтом белка. Понятное дело, чем выше его концентрация, тем чаще будет осуществляться перенос, но даже в условиях наличия ничтожного количества ионов, пара транспортёров всё равно может функционировать.

Первым транспортером, который мы разберём, будет Na/H обменник, и ему мы даже посвятим весь данный пост. Вообще, строго говоря, существует два семейства белков, обеспечивающих обмен ионов натрия на водород — NHE (Na/H-exchanger) и NHA (Na/H-antiporter), где первые обеспечивают транспорт натрия внутрь клетки в обмен на протон, а вторые — наоборот, но у человека присутствуют лишь белки семейства NHE, так что именно о них мы и будем говорить. Белок выполняет различные функции: поддержание рН внутри клетки, регуляцию ее объема, пролиферации, трансэпителиального транспорта ионов H, HCO3, Cl, а также изменение метаболизма в ответ на различные гормоны. Данные белки присутствуют в клетках всех тканей организма, а мутации в генах, их кодирующих, приводят к серьезным патологиям. На данный момент обнаружены десять представителей этой группы, и самый изученный из них — NHE1.

Он состоит из большего цитоплазматического домена, состоящего из 315 аминокислот, через который осуществляется основная регуляция, и который реагирует на понижение внутриклеточного рН, и трансмембранного, имеющего 500 аминокислотных остатков, осуществляющего непосредственно трансмембранный транспорт и связывающего амилорид (см. схему). Как видно на рисунке, NHE1 управляется различными стимулами, как со стороны целого организма, так и местными факторами, между которыми существуют сложные взаимоотношения.

Основные компоненты переноса — ионы натрия и водорода. Соответственно, при изменении содержания данных ионов по разные стороны мембраны меняется и градиент концентраций, а, следовательно, и активность транспорта. При закислении внутриклеточной среды белок работает более бодро, равно как и при увеличении концентрации натрия во внеклеточном пространстве, и наоборот — здесь всё просто. Куда интереснее обстоит дело с более сложными регуляторными стимулами.

Как выяснилось, активность NHE1 сильно зависит от концентрации ионов Ca2+ в клетке. При стимуляции различными агентами, вызывающими повышение содержание данного иона в цитозоле, благодаря G-белку, или факторам роста, кальций связывается с кальмодулином А или В, что, в свою очередь, присоединяется в специальных сайтах цитоплазматического домена и вызывает активацию транспортёра. Интересно, что повышение концентрации натрия (что часто наблюдается в условиях недостатка энергии для АТФ-азы) также приводит к увеличению концентрации кальция посредством Na/Ca-обменников — образуется своего рода порочный круг, запущенный описываемым белком. Учитывая, что накоплены данные, согласно которым чувствительность к инсулину зависит от концентрации кальция в цитозоле, понижение или повышение которой ведёт к инсулинорезистентности, это довольно-таки важный факт (больше о предполагаемой роли обменника в патогенезе СД 2 типа очень подробно написано в статье, ссылка на которую — в источниках).

Была и до сих пор живёт мысль использовать ингибиторы NHE1 для минимализации повреждения при инфаркте миокарда, в соответствии с логикой, что, если заблокировать переносчик, кардиомиоциты уберегутся от осмотического шока, вызванного бесконтрольным поступлением натрия и кальция. К сожалению, при клинических испытаниях надежды не оправдались, у четырех групп с нарушениями в сердечно-сосудистой системе разницы в смертности у групп с препаратом по сравнению с плацебо не обнаружилось.

Обнаружено и влияние NHE1 на MAPK при гиперосмотическом шоке — исследовании участвовали подсемейства ERK, p38 и JNK, играющие огромную роль в метаболизме клетки, в частности, в регуляции запрограммированной гибели клетки — апоптозе. При гиперосмотическом шоке клетка теряет воду и уменьшается в объеме, что запускает несколько процессов. Во-первых, конечно же, активируется наш белок-переносчик, во-вторых, изменяется активность указанных подсемейств MAPK. P38 активирует апоптоз, ERK — наоборот, а JNK оказывает разнообразный эффект. И оказалось, что p38 активируется при осмотическом шоке независимо от NHE1, а ERK NHE1 ингибирует непосредственно, на основании чего можно сказать, что NHE1 способствует "самоуничтожению" клетки. Это доказывает и исследование на мышах, у которых мутация в гене, кодирующем данный белок, приводила к смерти нейронов.

Ингибиторы NHE1 могут помочь в перспективе и бороться с раком засчёт специфики метаболизма опухолевых клеток, для которого оптимально закисление межклеточной среды и защелачивание внутриклеточной. Соответственно, ради создания оптимальных условий, опухолевые клетки используют NHE1 для выкачивания протонов наружу.

И, теоретически, если этому препятствовать медикаментозно (амилорид, карипорид, к примеру) возможно замедлить опухолевый рост.

Источники:

Клетки — Льюин Б., и др. — Бином, 2011

https://vk.cc/6heU98 — о физиологии переносчика, графики зависимости активности

https://vk.cc/6heJCD — MAPK и NHE1

https://vk.cc/6heMiy — о кардиопротекторных свойствах NHE1

https://vk.cc/6he2yz — вскользь упомянутое, но тем не менее любопытное исследование о мышах с дефектом в гене переносчика

https://vk.cc/6h5iV9 — о связи с СД 2

https://vk.cc/6he23U — и о раке.


Источник: vk.com