Механочувствительный канал с большим удобством
| MSCL | |||
|---|---|---|---|
 Механочувствительный канал большой проводимости (MSCL) | |||
| Идентификаторы | |||
| Символ | MSCL | ||
| Pfam | PF01741 | ||
| InterPro | IPR001185 | ||
| PROSITE | PDOC01030 | ||
| Краткое содержание | 1msl / scope / supfam | ||
| TCDB | 1.A.22 | ||
| OPM Суперсемейство | 12 | ||
| OPM белок | 2OAR | ||
| |||
Механочувствительные ионные каналы с большими проводимостью (MSCLS) ( TC# 1.A.22 ) представляют собой семейство пор-образующих мембранных белков , которые ответственны за трансляцию напряжений на клеточной мембране в электрофизиологический ответ. MSCL имеет относительно большую проводимость, 3 нс , что делает его проницаемым для ионов, воды и небольших белков при открытии. [ 1 ] MSCL действует как активируемый растягиванием клапан осмотического высвобождения в ответ на осмотический шок . [ 2 ]
История
[ редактировать ]Впервые MSCL был обнаружен на поверхности гигантских Escherichia coli сферопластов с использованием методики патча . [ 3 ] Впоследствии ген Escherichia coli MSCL (EC-MSCL) был клонирован в 1994 году. [ 4 ] После клонирования MSCL кристаллическая структура Mycobacterium tuberculosis MSCL (TB-MSCL) была получена в закрытой конформации. [ 5 ] Кроме того, кристаллическая структура Staphylococcus aureus mscl (SA-MSCL) и EC-MSCL была определена с использованием рентгеновской кристаллографии и молекулярной модели соответственно. [ 6 ] [ 7 ] Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что структура SA-MSCL не является физиологической и обусловлена моющим средством, используемым при кристаллизации. [ 8 ] [ 9 ]
Структура
[ редактировать ]Подобно другим ионным каналам , MSCL организованы как симметричные олигомеры с путем проникновения, образованного упаковкой субъединиц вокруг оси вращательной симметрии. В отличие от MSCS, который является гептамерным, MSCL, вероятно, пентамерный; Хотя SA-MSCL, по-видимому, является тетрамером в кристаллической структуре, [ 1 ] [ 10 ] Это может быть артефакт. [ 8 ] [ 9 ] MSCL содержит две трансмембранные спирали , которые упакованы в топологию ближайшего/ближайшего соседа. Путь проникновения MSCL имеет приблизительно воронку в форме, с большим отверстием, обращенным к периплазматической поверхности мембраны и самой узкой точкой вблизи цитоплазмы . В самой узкой точке поры ограничиваются боковыми цепями остатков, связанных с симметрией, в EC-MSCL: LEU 19 и Val 23. [ 1 ] Диаметр пор MSCL в открытом состоянии был оценен до ~ 3 нм, что вмещает прохождение небольшого белка до 9 кДа . [ 1 ]
EC-MSCL состоит из пяти идентичных субъединиц, каждая в длину 136 аминокислот. Каждая субъединица пересекает мембрану дважды через альфа-спиральные трансмембранные сегменты, M1 и M2, которые взаимосвязаны внеклеточным петлей. [ 2 ] Он образует гомопентамерный канал с десятью трансмембранными шесцами. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] Комбинируя как молекулярную модель EC-MSCL, так и кристаллическую структуру TB-MSCL, ясно, что спирали M1 в ядре трансмембранного пакета составляют основной затвор механочувствительного канала. Регулярно размещены остатки глицина на сегментах M1 позволяют плотно упаковать пять центральных спиралей, образуя узкое (~ 4 Å) гидрофобное сужение. Гидрофобные спирали M2 на периферии ствола MSCL сталкиваются с липидным бислой. [ 2 ] Важно отметить, что спирали M1 и M2 той же субъединицы не подключены; Вместо этого спираль M1 одной субъединицы устанавливает жесткий контакт с спиралью M2 смежной субъединицы. С дополнительными взаимодействиями через соляный мост в EC-MSCL, весь комплекс обеспечивается вместе. [ 2 ]
N-концевые домены S1 TB-MSCL не были разрешены в кристаллической структуре, только выводили в виде коротких α-спиралей, объединенных вместе, образуя дополнительные цитоплазматические затворы; [ 7 ] Однако последующие эксперименты по сшивке цистеина поддержали эту предложенную конфигурацию. [ 14 ] Было показано, что сегмент S1 может быть сильно мутирован без сильного вредного воздействия на функцию канала. [ 15 ]
Как EC-MSCL, так и TB-MSCL были химически синтезированы и восстановлены в мембранах везикул. Одноканальные записи этих MSCL показали аналогичную зависимость проводимости и давления с соответствующими MSCL дикого типа. [ 16 ]
Биологическая роль
[ редактировать ]Физические воздействия или вибрации, хотя и решающие для животных, мало влияют на микробы, такие как E. coli . Для сравнения, осмотическая сила сильно влияет на отдельные клетки или микробы в их водной среде. Когда бактерии находятся под осмотическим вниз , который находится во время перехода от среды высокой осмолярности к низкому, приток воды приводит к значительному увеличению давления тургора , которое способно прорвать конверт клеток. Механочувствительные каналы являются основными путями для высвобождения цитоплазматических растворенных веществ для достижения быстрого снижения давления тургора, что позволяет избежать лизиса . Эксперименты по разрушению генов подтвердили, что каналы MSCL или MSCS могут спасти бактерии от сильного осмотического шока, в то время как двойной нокаут обоих каналов привели к лизису. [ 2 ]
Роль MSCL как защитного механизма против осмотических шоков указывает на его эволюционное значение даже на ранней фазе биологической истории. Вместе с MSCS , MSCL или его гомологами были обнаружены у бактерий , археи , грибов и более высоких растений, но не животных. [ 17 ] [ 18 ] Хотя бактериальные и архиальные механочувствительные каналы различаются по проводящим и механочувствительным свойствам, они имеют сходные механизмы стробирования, запускаемые механической силой, передаваемой через липидный бислой. [ 17 ] Хотя MSCL и MSC имеют сходную трансмембранную домен и цитоплазматический домен, общее расположение полипептидных складок в этих каналах MS различено, что указывает на то, что они не имеют общего эволюционного предка. [ 1 ]
Механизмы
[ редактировать ]Бактериальные механочувствительные каналы, MSCL и MSC, отражают интимную связь конформации белка с механикой окружающей мембраны. Мембрана служит адаптируемым датчиком, который реагирует на ввод приложенной силы и преобразует его в выходной сигнал. Клетка может использовать эту информацию несколькими способами: обеспечение жизнеспособности клеток в присутствии осмотического стресса, а также, возможно, также служит датчиком сигнала для растяжения мембраны. [ 1 ]
Исследования показали, что поры MSCL расширяются диаметром до ~ 30 Å, когда он закрыт, с изменением 15-16Ц после отверстия, что является крупнейшим известным конформационным изменением белков канала. [ 19 ] Это большое изменение объясняет открытие пор -диаметра 30 Å, что приводит к 20 нм. 2 расширение белка в плоскости. Такое преобразование отвечает за унитарную проводимость MSCL 3N и отсутствие селективности канала, что позволяет любым частицам с молекулярной массой меньше ~ 1000. Это свойство MSCL выполняет свою роль в качестве аварийного клапана для выпуска растворенных веществ под осмотическим шоком. [ 18 ]
Две модели были предложены в объяснении механизма стробирования каналов MS: мембрановый механизм и механизм люк. Механизм люка отвечает за открытие ионных каналов в волос . Тем не менее, больше доказательств теперь указывают на то, что стробирование MSCL, в частности, смягчается мембраном-опосредованным механизмом, который опирается на изменения толщины мембраны или кривизны, которые могут изменить энергетический баланс встроенных белков. Это подтверждается наблюдениями, что изменения толщины фосфолипидного бислоя или добавление соединений, которые вызывают спонтанную мембранную кривизну, непосредственно влияют на напряжение, необходимое для открытия MSCL. [ 20 ]
Анализ бокового профиля давления в липидном бислое показал, что область раздела между углеводородными и полярными группами головок вызывает высокое напряжение. Следовательно, когда мембрана растянута, MSCL будет испытывать тягу, в основном концентрированную в межфазных областях. [ 2 ] Мутации, которые влияют на белок-липидные взаимодействия вблизи интерфейсов, приводят к фенотипам потери функции. [ 15 ] [ 21 ]
Напряжение, применяемое на внутренние и внешние диски канала липидным бислоями, наклоняет трансмембранные спирали MSCL (наклоны спиралей M1 изменяются на 35-34 а во время перехода), вызывая постепенное расширение радужной оболочки и сглаживание ствола MSCL. [ 22 ] В результате трансмембранная пролета спиралей M2 уменьшается, вытягивая периплазматические петли в мембрану, чтобы выровнять внеклеточный вход в пор, установив диаметр пор ~ 3 нм. [ 22 ] Наряду с этим похожим на оболочкой перехода, пор теперь выровняется в основном полярными аспектами спиралей M1, а не гидрофобным сужением во время закрытого состояния. После того, как пор увлажняется, ствол MSCL прилагает больше силы на линкеры S1-M1, разрывая S1 на части и полностью открывая канал. [ 2 ]
Ранее считалось, что EC-MSC демонстрирует сложное адаптивное поведение, а EC-MSCL-нет. Недавнее исследование показало, что как EC-MSC, так и EC-MSCL способны к адаптивному поведению при постоянном давлении в искушенном мембранном участке; Тем не менее, оба механочувствительных канала теряют адаптивную способность в записях целых ячейков, что указывает на то, что ранее известное адаптивное поведение EC-MSC связано с релаксацией стресса мембраны вместо определенной структуры канала. [ 23 ] Этот результат также подчеркивает важность взаимодействия белка-мембраны для механочувствительных каналов.
Транспортная реакция
[ редактировать ]Общие реакции транспорта:
- (а) Белки (в) → белки (Out)
- (б) Ионы (OUT) ⇌ Ионы (в)
- (c) осмолиты (в) ⇌ осмолиты (Out)
Смотрите также
[ редактировать ]- Липидные ионные каналы
- Механочувствительный канал с малой передачей
- Механочувствительные каналы
- Механочувствительный ионный канал
- Ионный канал
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и фон Haswell ES, Phillips R, Rees DC (октябрь 2011 г.). «Механочувствительные каналы: что они могут сделать и как они это делают?» Полем Структура 19 (10): 1356–69. doi : 10.1016/j.str.2011.09.005 . PMC 3203646 . PMID 22000509 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и фон глин Suhharev S, Anishkin A (июнь 2004 г.). «Механочувствительные каналы: чему мы можем узнать из« простых »модельных систем?». Тенденции в нейронауках . 27 (6): 345–51. doi : 10.1016/j.tins.2004.04.006 . PMID 15165739 . S2CID 23351608 .
- ^ Martinac B, Buechner M, Delcour AH, Adler J, Kung C (апрель 1987 г.). «Чувствительный 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., Мартинак Б., Блаттнер Ф.Р., Кунг С (март 1994 г.). «Механочувствительный канал с большим удобством в E. coli, кодируемый только MSCL». Природа . 368 (6468): 265–8. Bibcode : 1994natur.368..265s . doi : 10.1038/368265A0 . PMID 7511799 . S2CID 4274754 .
- ^ Chang G, Spencer RH, Lee AT, Barclay Mt, Rees DC (декабрь 1998 г.). «Структура гомолога MSCL из Mycobacterium Tuberculosis: управляемый 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/nature08277 . PMC 2737600 . PMID 19701184 .
- ^ Jump up to: а беременный Сухарев С., Дурелл С.Р., Гай Хр (август 2001 г.). «Структурные модели механизма стробирования MSCL» . Биофизический журнал . 81 (2): 917–36. Bibcode : 2001bpj .... 81..917s . doi : 10.1016/s0006-3495 (01) 75751-7 . PMC 1301563 . PMID 11463635 .
- ^ Jump up to: а беременный ISCLA I, Wray R, Blount P (сентябрь 2011 г.). «Олигомерное состояние усеченного механочувствительного канала большой проводимости не показывает дисперсии in vivo» . Белковая наука . 20 (9): 1638–42. doi : 10.1002/pro.686 . PMC 3190158 . PMID 21739498 .
- ^ Jump up to: а беременный Dorwart MR, Wray R, Brautigam CA, Jiang Y, Blount P (декабрь 2010 г.). «S. aureus mscl-это пентамер in vivo, но вариабельная стехиометрия in vitro: значение для содержащихся в детергентах мембранных белков» . PLOS Биология . 8 (12): E1000555. doi : 10.1371/journal.pbio.1000555 . PMC 2998437 . PMID 21151884 .
- ^ Levin G, Blount P (май 2004 г.). «Сканирование цистеина трансмембранных доменов MSCL выявляет остатки, критические для механочувствительного стробирования каналов» . Биофизический журнал . 86 (5): 2862–70. Bibcode : 2004bpj .... 86.2862L . doi : 10.1016/s0006-3495 (04) 74338-6 . PMC 1304155 . PMID 15111403 .
- ^ Blount P, Schroeder MJ, Kung C (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.). «Одиночные замены остатков, которые изменяют стробирующие 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. (1999-01-01). «Механочувствительные каналы у бактерий в качестве репортеров растяжения мембран» . FASEB Journal . 13 Suppl (9001): S55–61. doi : 10.1096/fasebj.13.9001.s55 . PMID 10352145 . S2CID 24594494 .
- ^ Suhharev S, Betanzos M, Chiang CS, Guy HR (февраль 2001 г.). «Механизм стробирования большого механочувствительного канала MSCL». Природа . 409 (6821): 720–4. Bibcode : 2001natur.409..720S . doi : 10.1038/350555559 . PMID 11217861 . S2CID 4337519 .
- ^ Jump up to: а беременный Maurer JA, Dougherty Da (июнь 2003 г.). «Генерация и оценка большой мутационной библиотеки из механочувствительного канала Escherichia coli большой проводимости, MSCL: последствия для стробирования каналов 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 Х.А., Кохендоерфер Г.Г. (апрель 2004 г.). «Общий 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 .
- ^ Jump up to: а беременный Клода, Анна; Martinac, Boris (2002). «Общее эволюционное происхождение механочувствительных ионных каналов у археи, бактерий и эукарья» . Археи . 1 (1): 35–44. doi : 10.1155/2002/419261 . PMC 2685541 . PMID 15803657 .
- ^ Jump up to: а беременный Кунг С., Мартинак Б., Сухарев С. (2010). «Механочувствительные каналы в микробах». Ежегодный обзор микробиологии . 64 : 313–29. doi : 10.1146/annurev.micro.112408.134106 . PMID 20825352 .
- ^ Corry B, Rigby P, Liu ZW, Martinac B (декабрь 2005 г.). «Конформационные изменения, связанные с стробированием канала MSCL, измерены с использованием спектроскопии FRET» . Биофизический журнал . 89 (6): L49–51. Bibcode : 2005bpj .... 89L..49c . doi : 10.1529/biophysj.105.072009 . PMC 1367003 . PMID 16199508 .
- ^ Перезо Е., Клода А., Кортес Д.М., Мартинак Б. (сентябрь 2002 г.). «Физические принципы, лежащие в основе трансдукции сил деформации двухслойных, во время механочувствительного стробирования каналов». Природа структурная биология . 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 ободе 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 .
- ^ Jump up to: а беременный Betanzos M, Chiang CS, Guy HR, Suhharev S (сентябрь 2002 г.). «Большое радужная экспансия механочувствительного белка канала, индуцированного мембранным натяжением». Природа структурная биология . 9 (9): 704–10. doi : 10.1038/nsb828 . PMID 12172538 . S2CID 32505662 .
- ^ Belyy V, Kamaraju K, Akitake B, Anishkin A, Suhharev S (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
[ редактировать ]На момент редактирования этой статье используется контент из 1.A.22 в . « Под GFDL . Все соответствующие условия должны соблюдаться.