Mechanosensoryczny kanał o dużej przewodności
| Identyfikatory mechanoczułego kanału | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MscL | |||||||||
 o dużej przewodności (mscl).
| |||||||||
| Symbol | mgr inż | ||||||||
| Pfam | PF01741 | ||||||||
| InterPro | IPR001185 | ||||||||
| PROZYTA | PDOC01030 | ||||||||
| SCOP2 | 1msl / ZAKRES / SUPFAM | ||||||||
| TCDB | 1.A.22 | ||||||||
| Nadrodzina OPM | 12 | ||||||||
| Białko OPM | 2 wiosło | ||||||||
| |||||||||
Rodzina kanałów jonowych o dużym przewodnictwie mechanicznym (MScL) ( TC# 1.A.22 ) składa się z białek błonowych tworzących pory , które są odpowiedzialne za przekształcanie sił fizycznych przyłożonych do błon komórkowych na czynności elektrofizjologiczne . MscL ma stosunkowo duże przewodnictwo, 3 nS , co czyni go przepuszczalnym dla jonów, wody i małych białek po otwarciu. MscL działa jak aktywowany przez rozciąganie osmotyczny zawór uwalniający w odpowiedzi na szok osmotyczny .
Historia
MscL został po raz pierwszy odkryty na powierzchni gigantycznych sferoplastów Escherichia coli przy użyciu techniki patch-clamp . Następnie Escherichia coli MscL (Ec-MscL). Po sklonowaniu MscL uzyskano strukturę krystaliczną Mycobacterium tuberculosis MscL (Tb-MscL) w jego zamkniętej konformacji. Ponadto strukturę krystaliczną Staphylococcus aureus MscL (Sa-MscL) i Ec-MscL określono za pomocą krystalografii rentgenowskiej i modelu molekularnego odpowiednio. Jednak niektóre dowody sugerują, że struktura Sa-MscL nie jest fizjologiczna i wynika z detergentu użytego do krystalizacji.
Struktura
Podobnie jak inne kanały jonowe , MscL są zorganizowane jako symetryczne oligomery ze ścieżką przenikania utworzoną przez upakowanie podjednostek wokół osi symetrii obrotowej. W przeciwieństwie do MScS, który jest heptameryczny, MscL jest prawdopodobnie pentameryczny; chociaż Sa-MscL wydaje się być tetramerem w strukturze krystalicznej, może to być artefakt. MscL zawiera dwie helisy transbłonowe , które są upakowane w topologii góra-dół/najbliższy sąsiad. Ścieżka przenikania MscL ma w przybliżeniu kształt lejka, z większym otworem skierowanym w stronę peryplazmy powierzchni błony i najwęższy punkt w pobliżu cytoplazmy . W najwęższym miejscu por jest zwężony przez boczne łańcuchy reszt związanych z symetrią w Ec-MscL: Leu 19 i Val 23. Średnica porów MscL w stanie otwartym została oszacowana na ~ 3 nm, co umożliwia przejście małych białek do 9 kD .
Ec-MscL składa się z pięciu identycznych podjednostek, z których każda ma długość 136 aminokwasów. Każda podjednostka przechodzi przez błonę dwukrotnie przez alfa-helikalne segmenty przezbłonowe, M1 i M2, które są połączone pętlą zewnątrzkomórkową. Tworzy kanał homopentameryczny z dziesięcioma kluczami transbłonowymi. Łącząc zarówno model molekularny Ec-MscL, jak i strukturę krystaliczną Tb-MscL, jasne jest, że helisy M1 w rdzeniu wiązki transbłonowej tworzą główną bramę mechanoczułego kanału. Regularnie rozmieszczone glicyny na segmentach M1 umożliwiają ciasne upakowanie pięciu centralnych helis, tworząc wąski (~ 4 Å) hydrofobowy duszenie. Hydrofobowe helisy M2 na obrzeżach beczki MscL są skierowane w stronę dwuwarstwy lipidowej. Należy zauważyć, że helisy M1 i M2 tej samej podjednostki nie są połączone; zamiast tego helisa M1 jednej podjednostki styka się ściśle z helisą M2 sąsiedniej podjednostki. Dzięki dodatkowym interakcjom poprzez mostek solny w Ec-MscL, cały kompleks jest zabezpieczony.
N-końcowe domeny S1 Tb-MscL nie zostały rozdzielone w strukturze krystalicznej, wywnioskowano jedynie jako krótkie helisy α połączone razem, tworząc dodatkową bramkę cytoplazmatyczną; jednakże późniejsze eksperymenty z sieciowaniem cysteiną potwierdziły tę proponowaną konfigurację. Wykazano, że segment S1 może być silnie zmutowany bez silnego szkodliwego wpływu na funkcję kanału.
Zarówno Ec-MscL, jak i Tb-MscL zostały zsyntetyzowane chemicznie i odtworzone w błonach pęcherzyków. Nagrania jednokanałowe tych MscL wykazały podobne przewodnictwo i zależność od ciśnienia do tych z odpowiedniego MscL typu dzikiego.
Rola biologiczna
Fizyczne uderzenia lub wibracje, choć kluczowe dla zwierząt, mają niewielki wpływ na drobnoustroje, takie jak E. coli . Dla porównania, siła osmotyczna znacznie wpływa na poszczególne komórki lub drobnoustroje w ich środowisku wodnym. Kiedy bakterie znajdują się w szoku osmotycznym , czyli podczas przejścia ze środowiska o wysokiej osmolarności do niskiej, napływ wody powoduje znaczny wzrost ciśnienia turgoru , który jest w stanie rozerwać otoczkę komórkową. Mechanowrażliwe kanały są głównymi drogami uwalniania cytoplazmatycznych substancji rozpuszczonych w celu osiągnięcia szybkiego zmniejszenia ciśnienia turgoru, unikając w ten sposób lizy . Eksperymenty z rozrywaniem genów potwierdziły, że kanały MscL lub MscS mogą uratować bakterie przed silnym szokiem osmotycznym, podczas gdy podwójne wyłączenie obu kanałów prowadzi do lizy.
Rola MscL jako mechanizmu obronnego przed wstrząsami osmotycznymi wskazuje na jego ewolucyjne znaczenie nawet we wczesnej fazie historii biologicznej. Wraz z MscS , MscL lub jego homologami został znaleziony w bakteriach , archeonach , grzybach i rośliny wyższe, ale nie zwierzęta. Chociaż kanały mechanowrażliwe bakterii i archeonów różnią się właściwościami przewodzącymi i mechanowrażliwymi, mają podobne mechanizmy bramkowania wyzwalane przez siłę mechaniczną przenoszoną przez dwuwarstwę lipidową. Chociaż MscL i MscS mają podobną domenę transbłonową i domenę cytoplazmatyczną, ogólne układy fałd polipeptydowych w tych kanałach MS są różne, co wskazuje, że nie mają wspólnego przodka ewolucyjnego.
Mechanizmy
Bakteryjne mechanowrażliwe kanały, MscL i MscS, odzwierciedlają ścisłe sprzężenie konformacji białka z mechaniką otaczającej błony. Membrana służy jako adaptowalny czujnik, który reaguje na wejście przyłożonej siły i przekształca ją w sygnał wyjściowy. Komórka może wykorzystywać tę informację na wiele sposobów: zapewniając żywotność komórki w obecności stresu osmotycznego i być może również służąc jako przetwornik sygnału dla napięcia błony.
Badania wykazały, że pory MscL rozszerzają się do około 30 A średnicy po zamknięciu, ze zmianą 15-16 A po otwarciu, co jest największą znaną zmianą konformacyjną białek kanałowych. Ta duża zmiana odpowiada za otwarcie porów o średnicy 30 A, co skutkuje ekspansją białka w płaszczyźnie 20 nm2. Taka transformacja jest odpowiedzialna za jednostkowe przewodnictwo MscL na poziomie 3nS i brak selektywności kanału, pozwalając na dowolne cząstki o masie cząsteczkowej mniejszej niż ~1000. Ta właściwość MscL spełnia swoją rolę zaworu awaryjnego do uwalniania substancji rozpuszczonych w szoku osmotycznym.
Zaproponowano dwa modele wyjaśniające mechanizm bramkowania kanałów MS: mechanizm za pośrednictwem błony i mechanizm zapadni. Mechanizm zapadni jest odpowiedzialny za otwieranie kanałów jonowych w komórce włosa . Jednak więcej dowodów wskazuje obecnie, że bramkowanie MscL jest w szczególności moderowane przez mechanizm za pośrednictwem błony, który opiera się na zmianach grubości lub krzywizny błony, które mogą zmienić równowagę energetyczną osadzonych białek. Potwierdzają to obserwacje, że zmiany grubości dwuwarstwy fosfolipidowej lub dodatek związków, które indukują spontaniczną krzywiznę błony, bezpośrednio wpływają na napięcie wymagane do otwarcia MscL.
Analiza bocznego profilu ciśnienia w dwuwarstwie lipidowej wykazała, że obszar międzyfazowy między grupami węglowodorowymi i polarnymi głowami wytwarza wysokie napięcie. Dlatego, gdy membrana jest rozciągnięta, MscL doświadczy ciągnięcia głównie skoncentrowanego w obszarach międzyfazowych. Mutacje, które wpływają na interakcje białko-lipid w pobliżu interfejsów, skutkują fenotypami utraty funkcji.
Naprężenie wywierane na wewnętrzne i zewnętrzne brzegi kanału przez dwuwarstwę lipidową przechyla helisy transbłonowe MscL (nachylenie helis M1 zmienia się o 35-34 o podczas przejścia), powodując stopniowe rozszerzanie się i spłaszczanie przypominające tęczówkę lufa MscL. W rezultacie zmniejsza się rozpiętość transbłonowa helis M2, wciągając pętle peryplazmatyczne do błony, aby wyścielić zewnątrzkomórkowe wejście do porów, ustalając średnicę porów ~ 3 nm. Wraz z tym przejściem przypominającym tęczówkę, pory są teraz wyłożone głównie polarnymi fasetami helis M1, zamiast hydrofobowego zwężenia w stanie zamkniętym. Gdy pory są uwodnione, beczka MscL wywiera większą siłę na łączniki S1-M1, rozrywając wiązkę S1 i całkowicie otwierając kanał.
Wcześniej uważano, że Ec-MscS wykazuje złożone zachowanie adaptacyjne, podczas gdy Ec-MscL nie. Niedawne badanie wykazało, że zarówno Ec-MscS, jak i Ec-MscL są zdolne do zachowania adaptacyjnego pod wpływem bodźców o stałym ciśnieniu w wyciętej łatce błony; jednak oba mechanowrażliwe kanały tracą zdolność adaptacyjną w zapisach całych komórek, co wskazuje, że wcześniej znane zachowanie adaptacyjne Ec-MscS jest związane z relaksacją naprężeń błony zamiast ze specyficzną strukturą kanału. Wynik ten dodatkowo podkreśla znaczenie interakcji białko-błona dla kanałów mechanowrażliwych.
Reakcja transportu
Uogólnione reakcje transportu to:
- (a) białka (wejście) → białka (wyjście)
- (b) jony (wyjście) ⇌ jony (wejście)
- (c) osmolity (wejście) ⇌ osmolity (wyjście)
Zobacz też
- Kanały jonowe bramkowane lipidami
- Mechanosensoryczny kanał o małej przewodności
- Kanały mechaniczne
- Mechanoczuły kanał jonowy
- kanał jonowy
Linki zewnętrzne
Od tej edycji w tym artykule wykorzystano treść z „1.A.22 The Large Conductance Mechanosensitive Ion Channel (MScL) Family” , która jest licencjonowana w sposób umożliwiający ponowne wykorzystanie w ramach licencji Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License , ale nie w ramach GFDL . Należy przestrzegać wszystkich odpowiednich warunków.