Семейство механочувствительных ионных каналов с большой проводимостью (MscL) ( TC # 1.A.22 ) состоит из порообразующих мембранных белков , которые отвечают за преобразование физических сил, приложенных к клеточным мембранам, в электрофизиологическую активность. MscL имеет относительно большую проводимость, 3 нСм , что делает его проницаемым для ионов, воды и мелких белков в открытом состоянии. [1] MscL действует как активируемый растяжением клапан осмотического высвобождения в ответ на осмотический шок . [2]
MscL | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
Символ | MscL | |||||||
Pfam | PF01741 | |||||||
ИнтерПро | IPR001185 | |||||||
PROSITE | PDOC01030 | |||||||
SCOP2 | 1 мсл / ОБЪЕМ / СУПФАМ | |||||||
TCDB | 1.A.22 | |||||||
OPM суперсемейство | 12 | |||||||
Белок OPM | 2oar | |||||||
|
История
MscL был впервые обнаружен на поверхности гигантских сферопластов Escherichia coli с использованием метода патч-кламп . [3] Впоследствии в 1994 г. был клонирован ген Escherichia coli MscL (Ec-MscL). [4] После клонирования MscL была получена кристаллическая структура MscL (Tb-MscL) Mycobacterium tuberculosis в его закрытой конформации. [5] Кроме того, кристаллическая структура Staphylococcus aureus MscL (Sa-MscL) и Ec-MscL была определена с помощью рентгеновской кристаллографии и молекулярной модели соответственно. [6] [7] Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что структура Sa-MscL не является физиологической, а связана с детергентом, используемым при кристаллизации. [8] [9]
Состав
Подобно другим ионным каналам , MscL организованы как симметричные олигомеры, а путь проникновения образован упаковкой субъединиц вокруг оси вращательной симметрии. В отличие от MscS, который является гептамером, MscL, вероятно, является пентамерным; хотя Sa-MscL, по-видимому, является тетрамером в кристаллической структуре [1] [10], это может быть артефактом. [8] [9] MscL содержит две трансмембранные спирали , которые упакованы по топологии «вверх-вниз / ближайший сосед». Путь проникновения MscL имеет приблизительно форму воронки, с большим отверстием, обращенным к периплазматической поверхности мембраны, и самой узкой точкой возле цитоплазмы . В самом узком месте пора сужена боковыми цепями связанных с симметрией остатков в Ec-MscL: Leu 19 и Val 23. [1] Диаметр поры MscL в открытом состоянии оценивается в ~ 3 нм, что вмещает прохождение небольшого белка до 9 кДа . [1]
Ec-MscL состоит из пяти идентичных субъединиц, каждая из которых имеет длину 136 аминокислот. Каждая субъединица дважды пересекает мембрану через альфа-спиральные трансмембранные сегменты, M1 и M2, которые связаны внеклеточной петлей. [2] Он образует гомопентамерный канал с десятью трансмембранными ключами. [11] [12] [13] Сочетание как молекулярной модели Ec-MscL, так и кристаллической структуры Tb-MscL, ясно, что спирали M1 в ядре трансмембранного пучка составляют главные ворота механочувствительного канала. Регулярно размещенные остатки глицина на сегментах M1 позволяют плотно упаковывать пять центральных спиралей, образуя узкое (~ 4 Å) гидрофобное сужение. Гидрофобные спирали M2 на периферии ствола MscL обращены к липидному бислою. [2] Важно отметить, что спирали M1 и M2 одной и той же субъединицы не связаны; вместо этого спираль M1 одной субъединицы плотно контактирует со спиралью M2 соседней субъединицы. За счет дополнительных взаимодействий через солевой мостик в Ec-MscL весь комплекс закрепляется вместе. [2]
N-концевые S1-домены Tb-MscL не были разделены в кристаллической структуре, только предположительно как короткие α-спирали, связанные вместе, чтобы сформировать дополнительные цитоплазматические ворота; [7], однако, последующие эксперименты по перекрестному связыванию цистеина подтвердили эту предложенную конфигурацию. [14] Было показано, что сегмент S1 может сильно мутировать без сильного вредного воздействия на функцию канала. [15]
И Ec-MscL, и Tb-MscL были химически синтезированы и преобразованы в мембраны везикул. Одноканальные записи этих MscL показали зависимость проводимости и давления, аналогичную таковой для соответствующих MscL дикого типа. [16]
Биологическая роль
Физические воздействия или вибрации, хотя и имеют решающее значение для животных, мало влияют на такие микробы, как кишечная палочка . Для сравнения, осмотическая сила сильно влияет на отдельные клетки или микробы в их водной среде. Когда бактерии подвергаются осмотическому дауншоку , то есть при переходе от среды с высокой осмолярностью к низкой, приток воды приводит к значительному увеличению тургорного давления , которое способно разрушить оболочку клетки. Механочувствительные каналы являются основными путями высвобождения растворенных веществ цитоплазмы для достижения быстрого снижения тургорного давления, что позволяет избежать лизиса . Эксперименты по разрушению генов подтвердили, что каналы MscL или MscS могут спасать бактерии от сильного осмотического шока, в то время как двойной нокаут обоих каналов приводит к лизису. [2]
Роль MscL как защитного механизма против осмотических шоков указывает на его эволюционное значение даже на ранней стадии биологической истории. Вместе с MscS , MscL или его гомологи были обнаружены у бактерий , архей , грибов и высших растений, но не у животных. [17] [18] Хотя механочувствительные каналы бактерий и архей различаются по проводящим и механочувствительным свойствам, они имеют схожие механизмы вентиляции, запускаемые механической силой, передаваемой через липидный бислой. [17] Хотя MscL и MscS имеют сходный трансмембранный домен и цитоплазматический домен, общее расположение полипептидных складок в этих каналах MS различно, указывая на то, что они не имеют общего эволюционного предка. [1]
Механизмы
Бактериальные механочувствительные каналы, MscL и MscS, отражают тесную связь конформации белка с механикой окружающей мембраны. Мембрана служит адаптируемым датчиком, который реагирует на вход приложенной силы и преобразует ее в выходной сигнал. Клетка может использовать эту информацию несколькими способами: обеспечивать жизнеспособность клеток в присутствии осмотического стресса и, возможно, также служить в качестве преобразователя сигнала для натяжения мембраны. [1]
Исследования показали, что поры MscL расширяются до ~ 30 Å в диаметре при закрытии с изменением на 15-16 Å при открытии, что является самым большим из известных конформационных изменений в канальных белках. [19] Это большое изменение объясняет открытие поры диаметром 30 Å, что приводит к расширению белка в плоскости на 20 нм 2 . Такое преобразование отвечает за унитарную проводимость MscL, равную 3 нСм, и отсутствие селективности канала, позволяя использовать любые частицы с молекулярной массой менее ~ 1000. Это свойство MscL выполняет свою роль аварийного клапана для высвобождения растворенных веществ при осмотическом шоке. [18]
Были предложены две модели для объяснения стробирующего механизма каналов MS: мембранно-опосредованный механизм и механизм лазейки. Механизм люка отвечает за открытие ионных каналов в волосковой клетке . Однако теперь больше доказательств указывает на то, что закрытие MscL специфически регулируется с помощью мембранно-опосредованного механизма, который основан на изменениях толщины или кривизны мембраны, которые могут изменять энергетический баланс встроенных белков. Это подтверждается наблюдениями, что изменения толщины фосфолипидного бислоя или добавление соединений, которые вызывают спонтанное искривление мембраны, непосредственно влияют на напряжение, необходимое для открытия MscL. [20]
Анализ профиля латерального давления в липидном бислое показал, что область раздела между углеводородными и полярными головными группами создает высокое напряжение. Следовательно, когда мембрана растягивается, MscL будет испытывать напряжение, в основном сосредоточенное в межфазных областях. [2] Мутации, которые влияют на белок-липидные взаимодействия вблизи границ раздела, приводят к фенотипам потери функции. [15] [21]
Натяжение , прикладываемые к внутренним и внешним ободам канала по липидному бислой наклоняет трансмембранные спирали из MSCL (тенты М1 спиралей изменения на 35-34 O во время перехода), в результате чего постепенные диафрагм , как расширение и уплощения ствол MscL. [22] В результате трансмембранный размах спиралей M2 уменьшается, втягивая периплазматические петли в мембрану, чтобы выровнять внеклеточный вход в пору, создавая диаметр поры ~ 3 нм. [22] Наряду с радужно-подобным переходом, пора теперь выстлана в основном полярными гранями спиралей M1, а не гидрофобным сужением в закрытом состоянии. Как только пора гидратирована, ствол MscL оказывает большее усилие на линкеры S1-M1, разрывая пучок S1 и полностью открывая канал. [2]
Ранее считалось, что Ec-MscS проявляет сложное адаптивное поведение, а Ec-MscL - нет. Недавнее исследование показало, что и Ec-MscS, и Ec-MscL способны к адаптивному поведению при постоянных стимулах давления на иссеченном участке мембраны; однако оба механочувствительных канала теряют адаптивную способность в записях целых клеток, указывая на то, что ранее известное адаптивное поведение Ec-MscS связано с релаксацией напряжения мембраны, а не со специфической структурой канала. [23] Этот результат дополнительно подчеркивает важность взаимодействия белок-мембрана для механочувствительных каналов.
Транспортная реакция
Обобщенные транспортные реакции:
- (а) белки (вход) → белки (выход)
- (б) ионы (выход) ⇌ ионы (вход)
- (c) осмолиты (вход) ⇌ осмолиты (выход)
Смотрите также
- Липидно-зависимые ионные каналы
- Механочувствительный канал с малой проводимостью
- Механочувствительные каналы
- Механочувствительный ионный канал
- Ионный канал
Рекомендации
- ^ a b c d e f Haswell ES, Phillips R, Rees DC (октябрь 2011 г.). «Механочувствительные каналы: что они могут делать и как они это делают?» . Структура . 19 (10): 1356–69. DOI : 10.1016 / j.str.2011.09.005 . PMC 3203646 . PMID 22000509 .
- ^ Б с д е е г Сухарев С., Анишкин А. (июнь 2004 г.). «Механочувствительные каналы: чему мы можем научиться у« простых »модельных систем?». Тенденции в неврологии . 27 (6): 345–51. DOI : 10.1016 / j.tins.2004.04.006 . PMID 15165739 . S2CID 23351608 .
- ^ Мартинац Б., Бюхнер М., Делькур А.Х., Адлер Дж., Кунг С. (апрель 1987 г.). «Чувствительный к давлению ионный канал в Escherichia coli» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 84 (8): 2297–301. Bibcode : 1987PNAS ... 84.2297M . DOI : 10.1073 / pnas.84.8.2297 . PMC 304637 . PMID 2436228 .
- ^ Сухарев С.И., Блаунт П., Мартинац Б., Блаттнер Ф.Р., Кунг С. (март 1994 г.). «Механочувствительный канал с большой проводимостью в E. coli, кодируемый только mscL». Природа . 368 (6468): 265–8. Bibcode : 1994Natur.368..265S . DOI : 10.1038 / 368265a0 . PMID 7511799 . S2CID 4274754 .
- ^ Чанг Джи, Спенсер Р.Х., Ли А.Т., Барклай М.Т., Рис, округ Колумбия (декабрь 1998 г.). «Структура гомолога MscL из Mycobacterium tuberculosis: закрытый механочувствительный ионный канал» . Наука . 282 (5397): 2220–6. Bibcode : 1998Sci ... 282.2220C . DOI : 10.1126 / science.282.5397.2220 . PMID 9856938 .
- ^ Лю З., Ганди К.С., Рис, округ Колумбия (сентябрь 2009 г.). «Структура тетрамерного MscL в расширенном промежуточном состоянии» . Природа . 461 (7260): 120–4. Bibcode : 2009Natur.461..120L . DOI : 10,1038 / природа08277 . PMC 2737600 . PMID 19701184 .
- ^ а б Сухарев С., Дурелл С. Р., Гай Х. Р. (август 2001 г.). «Структурные модели запорного механизма MscL» . Биофизический журнал . 81 (2): 917–36. Bibcode : 2001BpJ .... 81..917S . DOI : 10.1016 / S0006-3495 (01) 75751-7 . PMC 1301563 . PMID 11463635 .
- ^ а б Искла И., Рэй Р., Блаунт П. (сентябрь 2011 г.). «Олигомерное состояние усеченного механочувствительного канала с большой проводимостью не обнаруживает изменений in vivo» . Белковая наука . 20 (9): 1638–42. DOI : 10.1002 / pro.686 . PMC 3190158 . PMID 21739498 .
- ^ а б Дорварт М.Р., Рэй Р., Браутигам, Калифорния, Цзян Ю., Блаунт П. (декабрь 2010 г.). «S. aureus MscL представляет собой пентамер in vivo, но с различной стехиометрией in vitro: последствия для мембранных белков, солюбилизированных детергентом» . PLOS Биология . 8 (12): e1000555. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1000555 . PMC 2998437 . PMID 21151884 .
- ^ Левин Г., Блаунт П. (май 2004 г.). «Сканирование цистеина трансмембранных доменов MscL выявляет остатки, критические для открытия механочувствительных каналов» . Биофизический журнал . 86 (5): 2862–70. Bibcode : 2004BpJ .... 86.2862L . DOI : 10.1016 / S0006-3495 (04) 74338-6 . PMC 1304155 . PMID 15111403 .
- ^ Блаунт П., Шредер М.Дж., Кунг С. (декабрь 1997 г.). «Мутации в бактериальном механочувствительном канале изменяют клеточный ответ на осмотический стресс» . Журнал биологической химии . 272 (51): 32150–7. DOI : 10.1074 / jbc.272.51.32150 . PMID 9405414 .
- ^ Блаунт П., Сухарев С.И., Шредер М.Дж., Нэгл С.К., Кунг С. (октябрь 1996 г.). «Замены единичных остатков, которые изменяют закрывающие свойства механочувствительного канала в Escherichia coli» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (21): 11652–7. Bibcode : 1996PNAS ... 9311652B . DOI : 10.1073 / pnas.93.21.11652 . PMC 38113 . PMID 8876191 .
- ^ Сухарев С (01.01.1999). «Механочувствительные каналы в бактериях как репортеры мембранного давления». Журнал FASEB . 13 Дополнение (9001): S55–61. DOI : 10.1096 / fasebj.13.9001.s55 . PMID 10352145 . S2CID 24594494 .
- ^ Сухарев С., Бетанзос М., Чианг С.С., Гай Х.Р. (февраль 2001 г.). «Запорный механизм большого механочувствительного канала MscL». Природа . 409 (6821): 720–4. Bibcode : 2001Natur.409..720S . DOI : 10.1038 / 35055559 . PMID 11217861 . S2CID 4337519 .
- ^ а б Маурер Дж. А., Догерти Д. А. (июнь 2003 г.). «Создание и оценка большой мутационной библиотеки из механочувствительного канала Escherichia coli с большой проводимостью, MscL: значение для стробирования канала и эволюционного дизайна» . Журнал биологической химии . 278 (23): 21076–82. DOI : 10.1074 / jbc.M302892200 . PMID 12670944 .
- ^ Клейтон Д., Шаповалов Г., Маурер Дж. А., Догерти Д. А., Лестер Г. А., Кочендёрфер Г. Г. (апрель 2004 г.). «Полный химический синтез и электрофизиологическая характеристика механочувствительных каналов из Escherichia coli и Mycobacterium tuberculosis» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (14): 4764–9. Bibcode : 2004PNAS..101.4764C . DOI : 10.1073 / pnas.0305693101 . PMC 387322 . PMID 15041744 .
- ^ а б Клода, Анна; Мартинац, Борис (2002). «Общее эволюционное происхождение механочувствительных ионных каналов у архей, бактерий и эукарий с клеточными стенками» . Археи . 1 (1): 35–44. DOI : 10.1155 / 2002/419261 . PMC 2685541 . PMID 15803657 .
- ^ а б Кунг С., Мартинац Б., Сухарев С. (2010). «Механочувствительные каналы в микробах». Ежегодный обзор микробиологии . 64 : 313–29. DOI : 10.1146 / annurev.micro.112408.134106 . PMID 20825352 .
- ^ Корри Б., Ригби П., Лю З. В., Мартинац Б. (декабрь 2005 г.). «Конформационные изменения, вовлеченные в стробирование канала MscL, измеренные с помощью спектроскопии FRET» . Биофизический журнал . 89 (6): L49–51. Bibcode : 2005BpJ .... 89L..49C . DOI : 10.1529 / biophysj.105.072009 . PMC 1367003 . PMID 16199508 .
- ^ Перозо Э., Клода А., Кортес Д.М., Мартинац Б. (сентябрь 2002 г.). «Физические принципы, лежащие в основе преобразования сил двухслойной деформации во время стробирования механочувствительного канала». Структурная биология природы . 9 (9): 696–703. DOI : 10.1038 / nsb827 . PMID 12172537 . S2CID 17910920 .
- ^ Йошимура К., Номура Т., Сокабе М. (апрель 2004 г.). «Мутации потери функции на краю воронки механочувствительного канала MscL» . Биофизический журнал . 86 (4): 2113–20. Bibcode : 2004BpJ .... 86.2113Y . DOI : 10.1016 / S0006-3495 (04) 74270-8 . PMC 1304062 . PMID 15041651 .
- ^ а б Бетанзос М., Чианг К.С., Гай Х.Р., Сухарев С. (сентябрь 2002 г.). «Большое радужное расширение белка механочувствительного канала, вызванное натяжением мембраны». Структурная биология природы . 9 (9): 704–10. DOI : 10.1038 / nsb828 . PMID 12172538 . S2CID 32505662 .
- ^ Белый В., Камараджу К., Акитаке Б., Анишкин А., Сухарев С. (июнь 2010 г.). «Адаптивное поведение бактериальных механочувствительных каналов связано с мембранной механикой» . Журнал общей физиологии . 135 (6): 641–52. DOI : 10,1085 / jgp.200910371 . PMC 2888061 . PMID 20513760 .
Внешние ссылки
- MscL в Pfam
- UMich Ориентация белков в мембранах protein / pdbid-2oar
На момент редактирования в этой статье используется контент из "1.A.22 Семейство механочувствительных ионных каналов с большой проводимостью (MscL)" , которое лицензировано способом, допускающим повторное использование в соответствии с непортированной лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 , но не под GFDL . Все соответствующие условия должны быть соблюдены.