Том 41, № 5-6 (2024)

В обзоре рассматривается история возникновения, развитие и достижения Проекта «Родопсин», организованного Ю.А. Овчинниковым в 1973 г. Также представлено современное состояние некоторых вопросов, связанных со структурой и функцией ретиналь-содержащих белков – родопсинов I и II типов.

Семейство мембранных белков, известное как P-loop-каналы, включает в себя калиевые, натриевые и кальциевые каналы, а также TRP-каналы и ионотропные глутаматные рецепторы. Быстро растущее число кристаллических и криоэлектронных структур раскрывает как общие, так и специфические особенности этих каналов. В настоящее время твердо установлены основные принципы их укладки, расположение структурных сегментов, ключевые остатки, которые влияют на ионную селективность, активацию и сайты связывания токсинов и лигандов, имеющих отношение к медицине. Появление моделей AlphaFold2 представляет собой еще один важный шаг в компьютерном прогнозировании структур белков. Сравнение экспериментальных структур каналов P-loop с соответствующими моделями показывает, что в экспериментально разрешенных областях наблюдаются согласованные закономерности укладки. Несмотря на этот значительный прогресс, многие структурные детали, особенно важные для прогнозирования результатов мутаций и разработки новых медицински значимых лигандов остаются нерешенными. Ряд методологических проблем в настоящее время препятствует прямой оценке таких деталей. Пока не произойдет следующего методологического прорыва, перспективный подход к более глубокому анализу структур ионных каналов предполагает интеграцию различных экспериментальных и теоретических методов.

Плазмалемма освещенных клеток Characeae содержит чередующиеся участки с активностью Н⁺-насоса и области с высокой проводимостью для Н⁺/ОН^–, которые пропускают встречно направленные потоки Н⁺ между средой и цитоплазмой. В зонах оттока Н⁺ из среды в клетку, рН на поверхности (рН_о) возрастает, а рН цитоплазмы (рН_ц), напротив, снижается. Нехватка проникающего субстрата фотосинтеза (СО₂) и кислый сдвиг рН_ц в области наружных щелочных зон способствуют переключению переноса электронов в хлоропластах с СО₂-зависимого пути на восстановление О₂, что сопряжено с повышением ΔрН в тилакоидах и усилением нефотохимического тушения (NPQ) возбужденных состояний хлорофилла. Влияние рН на пути переноса электронов лежит в основе согласованного неоднородного распределения рН_о и активности фотосинтеза у клеток в покое. При генерации потенциала действия (ПД) продольный профиль рН_о временно сглаживается, а распределение NPQ и активности ФСII становится резко неоднородным. Спрямление профиля рН_о обусловлено подавлением Н⁺-насоса и пассивной Н⁺/OH^–-проводимости плазмалеммы под влиянием почти 100-кратного возрастания уровня Са²⁺ в цитоплазме ([Ca²⁺]_ц) во время ПД. Повышение [Ca²⁺]_ц стимулирует фотовосстановление О₂ в хлоропластах под внешними щелочными зонами и в то же время останавливает течение цитоплазмы, что вызывает накопление избытка Н₂О₂ в цитоплазме в участках интенсивной продукции этого метаболита при слабом влиянии на зоны ассимиляции СО₂. Эти изменения усиливают неоднородное распределение фотосинтеза и вызывают длительные колебания флуоресценции хлорофилла F_m' и квантовой эффективности линейного потока электронов на микроучастках клетки после генерации ПД.

Биосинтез стеринов появился на ранних этапах эволюции эукариот. У большинства животных, а также у примитивных грибов, основным стерином является холестерин. В процессе эволюции грибы приобрели способность синтезировать эргостерин. Путь его биосинтеза более сложен, чем путь биосинтеза холестерина. Тем не менее эволюционный выбор большинства грибов остался именно за эргостерином, и причина этого выбора до сих пор обсуждается. В большинстве работ на эту тему выбор большинства грибов связывают с переходом к жизни на суше и, следовательно, с опасностью обезвоживания клеток. В нашем обзоре мы не соглашаемся с этой точкой зрения. Вероятно, по сравнению с холестерином, эргостерин обладает более выраженными антиоксидантными свойствами. Действительно, наличие трех, а не одной, как у холестерина, двойных связей в структуре молекулы увеличивает вероятность взаимодействия с активными формами кислорода. Возможно, переход к жизни на суше потребовал дополнительной антиоксидантной защиты. Вследствие вышеупомянутых структурных различий молекула холестерина, очевидно, является более гибкой, чем молекула эргостерина. Экспериментальные данные указывают, что это качество обеспечивает более высокую, чем у грибов, гибкость мембран, а также более высокую способность компенсировать нарушения упаковки фосфолипидов мембраны. Возможно, эти качества холестерина для клеток животных оказались важнее, чем антиоксидантные, что и предопределило их эволюционный выбор стерина.

Представлены результаты исследований в компьютерном эксперименте молекулярных механизмов адаптации модельных клеточных мембран, реализующейся в ходе их взаимодействия с белками и пептидами. Речь идет об изменении структурно-динамических параметров водно-липидной среды, гидрофобной/гидрофильной организации поверхности липидного бислоя (так называемой «мозаичности») и пр. Взятые в совокупности, эти эффекты получили название «мембранного ответа» (МО) – важнейшей способности клеточных мембран специфично и устойчиво реагировать на встраивание и функционирование в них внешних агентов, в первую очередь – белков и пептидов. Описаны полученные в ходе многолетних исследований результаты авторов в области молекулярного моделирования процессов МО с различными пространственно-временными характеристиками – от эффектов связывания с белками отдельных молекул липидов до изменения интегральных макроскопических параметров мембран. Основная часть результатов получена с использованием разработанной авторами технологии «динамического молекулярного портрета». Обсуждаются биологическая роль наблюдаемых явлений и возможные пути рационального проектирования искусственных мембранных систем с заданными характеристиками МО. Это, в свою очередь, важно для направленного изменения профиля активности белков и пептидов, действующих на биомембраны, в том числе в качестве перспективных фармакологических агентов.