Проходимость ионных каналов

Как и химия, свой трудный путь проходила и биология. Электронных микроскопов не было, но фарфоровые фильтры с порами разного диаметра позволяли косвенно определить размеры бактерий и микроорганизмов. Однако наступил момент, когда обнаружились ничтожно малые агенты со способностью размножаться и убивать клетки. При этом они проходили даже сквозь мельчайшие фильтры, задерживавшие все известные на тот момент микроорганизмы.

Так были открыты вирусы, которые долгое время называли «фильтрующиеся». Потом с внедрением электронных микроскопов вирусы и микробы были рассмотрены в мельчайших деталях, а сегодня речь идет уже об отдельных белковых молекулах.

Способность клеток и вирусов существовать и функционировать в большой степени зависит от так называемых ионных каналов – особых протеинов, встроенных в мембраны, которые пропускают через свои поры отдельные ионы, например калия, натрия, хлора и кальция. Сегодня ученые университета в Далласе (США) «рассматривают» канальные белки с помощью электронного микроскопа с удивительной разрешающей способностью, достигающей 0,25 нанометра, или 2,5 ангстрема.

Америка была очень напугана знаменитой «почтовой атакой», когда вслед за рухнувшими небоскребами в Нью-Йорке кто-то, явно из секретных лабораторий, занимающихся возможностью использования биологических объектов в качестве оружия, начал рассылать письма с помещенными в них спорами сибиреязвенной бациллы. Неудивительно, что ученые стали более пристально искать пути обеспечения безопасности при подобного рода угрозах. Надо сказать, что успешное блокирование ионных каналов приводит к гибели этой бациллы, причем наружную часть канального протеина можно использовать при разработке действенных вакцин против сибирской язвы. Есть у этой проблемы и сугубо технологический аспект: сегодня у ученых нет ионных «сепараторов» с достаточно высокой степенью селективности.

Известно, что ион перед прохождением через пору должен связаться с каналом для «идентификации», уменьшения скорости его теплового движения и подготовки к такому прохождению. Для этого белковые структуры образуют так называемый «вестибюль», в полость которого ионы просто диффундируют, не связываясь ни с чем специфически.

Сибиреязвенная бацилла имеет канал, который пропускает ионы как натрия, так и калия. Известно, что все калиевые каналы, пропускающие исключительно ионы этого элемента, имеют аминокислотную последовательность TVGYG (где Т – триптофан, V – валин, G – глицин, Y – тирозин). У натрий-калиевого канала бациллы сибирской язвы конечных фрагментов YG нет, что, по всей видимости, и обусловливает его «неспецифичность».

Изучение структуры и функции ионных каналов имеет большое значение и для токсикологии. Известно, что окружающий нас мир буквально напичкан токсинами и ядами самого разного происхождения. Соединяясь с канальной молекулой, они нарушают ее структуру.

В Институте биофизической химии Геттингенского университета ученые с помощью нового чувствительного метода – так называемого метода ядерного магнитного резонанса твердого тела (Solid State NMR) – изучали действие яда скорпиона на наши калиевые каналы (поэтому яд и получил название «калиотоксин»). Молекула токсина «садится», как выяснилось, в самое жерло наружного отверстия поры канала. Образующийся интерфейс между двумя белковыми молекулами приводит к конформационным изменениям в протеине канала, в результате чего он закрывается. Изменения конформаций приводят в свою очередь к существенным структурным перестройкам в обеих молекулах, следствием чего являются химические сдвиги, отражающие изменения расстояний между протонами.

В свое время немецкий химик-неорганик Ф.Г.Хабер (Haber), получивший в 1918 г. Нобелевскую премию за разработку применяющегося и сегодня промышленного метода фиксации атмосферного азота, сильно подпортил себе репутацию, синтезировав знаменитый иприт, примененный в качестве химического оружия на берегу бельгийской реки Ипр, откуда и его название. Затем были придуманы нервно-паралитические газы зарин и заман. Именно зарин был использован при газовой атаке в токийском метро.

Нервно-паралитические газы упомянуты тут неспроста. Дело в том, что их молекулы необратимо блокируют ионные каналы нервных клеток. Хочется надеяться, что период всеобщей «химизации» вооружений закончился, поскольку блокаторами ионных каналов сейчас значительно больше интересуются создатели и разработчики новых лекарств, в частности одной компании из калифорнийского Сан-Диего. Ее специалисты разработали новую электрооптическую технологию массового скрининга созданных фармацевтами лекарственных средств, заключающуюся в использовании вольт-чувствительных натриевых каналов. Повышение электрического напряжения приводит к открытию канала и прохождению ионов натрия, сопровождающемуся интенсивным синим или зеленым свечением соответствующих флюоресцентных красителей.

Сотрудники компании исследовали более 400 известных лекарств, среди которых анестетики, «выключающие» чувствительность, анальгетики (обезболивающие), антидепрессанты, лекарства против эпилепсии и аритмии сердца.

Эти лекарственные средства блокируют натриевые каналы в нашем мозгу, препятствуя их переходу вновь к активному состоянию.

Для проверки лекарств ученые «вырезали» из мембраны нервных клеток участки диаметром 5 мм со встроенными в них протеинами натриевых каналов. При «подаче» электрического напряжения на каналы возникало синее или зеленое свечение соответствующего красителя. Добавление лекарства «гасило» свечение, причем убывание светимости четко коррелировало с его дозой. В качестве тест-лекарства был выбран лидокаин, с помощью которого стоматологи облегчают страдания своих пациентов, делая им «заморозку». Кроме лидокаина были проверены другие лекарства, например тетракаин, дуранест, ламиктал и карбамазепин (тегретол). Они имеют различную химическую структуру, но их объединяет наличие трех кольцевых фрагментов.

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Nature, 2006, № 7083, р. 570, № 7086, р. 959;
Nature Biotechnology, 2006, № 4, р. 415, 439)