Роковое число 23, маленькое продолжение

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

Комментарии: