Кафедра биофизики

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size
Главная страница Практика 3 курс Моделирование белок липидных взаимодействий, приводящих к формированию ионных каналов в липидном бислое

Моделирование белок липидных взаимодействий, приводящих к формированию ионных каналов в липидном бислое

Email Печать PDF

Состояние проблемы

Пороформеры (или каналоформеры) – это белки, которые могут образовывать поры (каналы) в мембранах живых организмов. Они являются обязательными транспортными механизмами клеточных мембран, необходимыми для обеспечения жизнедеятельности клеток. При утрате контроля их работы или при встраивании в липидный матрикс мембраны чужеродных каналов,  может  нарушаться  гомеостаз, осмотическое равновесие, возникать массированный экзо – или эндоцитоз, а также происходить гибель клетки по апоптотическому типу. Практически все живые существа синтезируют в своем организме пороформирующие белки и активно используют их для выживания. У человека пороформирующие вещества являются важным компонентом иммунной системы. Помимо транспортной функции, каналы, например,  у высших эукариот  являются основным средством межклеточной сигнализации между возбудимыми клетками, такими,  как нейроны.

Липидный матрикс биологических мембран – это  сложная  динамическая среда, которая оказывает существенное влияние на структуру и функции мембранных белков. Находящиеся в этой среде каналы контролируют трансмембранный  перенос ионов, а также транспорт воды и небольших органических молекул  за счет конформационных изменений, которые открывают или закрывают часть канала, обеспечивающую перенос. Эти конформационные изменения могут быть смодулированы изменением трансмембранного электрического потенциала, связыванием малых лигандов или изменениями физико-химических параметров  липидного матрикса мембраны. Поскольку нормальная жизнедеятельность клетки осуществляется  при непрерывном встречном трансмембранном обмене потоками ионов и веществ, очень важно понимать, как работают ионные каналы, чтобы управлять ими и устранять поломки этих уникальных транспортных механизмов.

Однако, несмотря на наличие  большого объёма  данных о функциональных свойствах  каналов (например, электрофизиологические исследования ионных каналов), мы совсем недавно начали понимать структурные компоненты и молекулярные механизмы взаимодействия липидов и ионных каналов. Дело в том, что мембрана - это динамичная сложно организованная система.

Динамические свойства фосфолипидного матрикса мембран оказывают существенное влияние на  структуру и функцию канала, при связывании непосредственно с белком или, изменяя среду, окружающую канал. Возможен и обратный эффект:  аффинность белка к некоторым липидам может не только стабилизировать определенные конформации данного белка, но она же может обеспечивать возможность формирования белком отдельных  мембранных доменов с различными биофизическими свойствами или биологическими функциями. Неудивительно, что при интерпретации экспериментальных данных о свойствах каналов в нативных мембранах возникают  затруднения, поскольку далеко не всегда удается понять и учесть вклад каждого из компонентов мембраны в регистрируемый результат:  взаимодействие липидных компонентов друг с другом и их взаимодействие с каналами (мембранными белками) в такой сложно организованной динамической среде. Например, увеличение содержания холестерина изменяет способ упаковки липидов, сопровождаемой изменениями текучести, толщины, водной проницаемости, латерального давления, плотности поверхностного электрического заряда, величины дипольного потенциала  и других параметров липидного матрикса и, как следствие, к изменению биофизических свойств отдельных участков мембраны или мембраны в целом. Однако известны соединения, не относящиеся к стеринам, которые могут имитировать каждый из способов, которыми холестерин изменяет свойства мембраны. То есть необходимо, чтобы в эксперимент был включен достаточный контроль.

В частности можно применить  редукционистский подход, устанавливая связь между  структурой мембранных  белков (каналоформеров) или их фрагментов   с их функцией в модельных мембранных системах. Это очень важно, потому что состав бислоя сильно варьирует в различных типах клеток и  мембранных органелл. Даже в пределах мембраны, липидный состав между внутренним и внешним слоем разный, а также он неоднородный и высокодинамичный. Дифференциальная упаковка липидов и белков приводит к формированию микродоменов, латеральное распространение этих микродоменов или «липидных рафтов» служит в качестве мобильных платформ для кластеризации и организации компонентов бислоя, включая ионные каналы. Структура и функция этих каналов чувствительна к специфическим химическим взаимодействиям с соседними мембранными компонентами, а также к биофизическим свойствам микроокружения мембраны (например, латеральное давление, текучесть и толщина бислоя).

Используемые методы.

1. Методы приготовления модельных фосфолипидных мембран: плоских (БЛМ) и сферических (липосом).

2. Методы изучения физических характеристик БЛМ и липосом.

Темы научно-практической работы для студентов
1. Использование каналов в современных биотехнологиях.
2. Роль каналов в развитии  некоторых патологических состояний.
3. Использование каналов в борьбе за выживание.
4. Каналы в современных медицинских технологиях.

База
Кафедра общей и медицинской биофизики МБФ РНИМУ.

Руководители
Корепанова Евгения Александровна



 

Научная работа