Kanál s velkou vodivostí mechanicky citlivý - Large-conductance mechanosensitive channel

MscL
PDB 2oar EBI.jpg
mechanicky citlivý kanál s velkou vodivostí (mscl)
Identifikátory
SymbolMscL
PfamPF01741
InterProIPR001185
STRÁNKAPDOC01030
SCOP21 msl / Rozsah / SUPFAM
TCDB1.A.22
OPM nadčeleď12
OPM protein2oar

The Rodina mechanicky citlivých iontových kanálů (MscL) s velkou vodivostí (TC # 1.A.22 ) sestává z tvorby pórů membránové proteiny které jsou zodpovědné za převod fyzikálních sil aplikovaných na buněčné membrány do elektrofyziologické činnosti. MscL má relativně velkou vodivost, 3 nS, čímž je po otevření propustný pro ionty, vodu a malé bílkoviny.[1] MscL působí jako osmotický uvolňovací ventil aktivovaný natažením v reakci na osmotický šok.[2]

Dějiny

MscL byl poprvé objeven na povrchu obra Escherichia coli sféroplasty použitím svorka technika.[3] Následně Escherichia coli Gen MscL (Ec-MscL) byl klonován v roce 1994.[4] Po klonování MscL byla krystalová struktura Mycobacterium tuberculosis MscL (Tb-MscL) byl získán v uzavřené konformaci.[5] Kromě toho, krystalová struktura Zlatý stafylokok MscL (Sa-MscL) a Ec-MscL byly stanoveny pomocí Rentgenová krystalografie a molekulární model resp.[6][7] Některé důkazy však naznačují, že struktura Sa-MscL není fyziologická a je způsobena detergentem použitým při krystalizaci.[8][9]

Struktura

Podobně jako ostatní iontové kanály, MscL jsou organizovány jako symetrické oligomery s permeační cestou vytvořenou spojením podjednotek kolem osy rotační symetrie. Na rozdíl od MscS, který je heptamerní, je MscL pravděpodobně pentamerní; ačkoli Sa-MscL se jeví jako tetramer v krystalové struktuře,[1][10] toto může být artefakt.[8][9] MscL obsahuje dva transmembránové šroubovice které jsou zabaleny v topologii nahoru-dolů / nejbližšího souseda. Prostupní dráha MscL je přibližně ve tvaru trychtýře, s větším otvorem směřujícím k periplazmatický povrch membrány a nejužší bod poblíž cytoplazma. V nejužším bodě je pór zúžen postranními řetězci zbytků souvisejících se symetrií v Ec-MscL: Leu 19 a Val 23.[1] Průměr pórů MscL v otevřeném stavu byl odhadnut na ~ 3 nm, což umožňuje průchod malého proteinu až do 9 kD.[1]

Ec-MscL se skládá z pěti identických podjednotek, každá o délce 136 aminokyselin. Každá podjednotka prochází membránou dvakrát alfa-šroubovice transmembránové segmenty, M1 a M2, které jsou vzájemně propojeny extracelulární smyčkou.[2] Vytváří homopentamerický kanál s deseti transmembránovými klíči.[11][12][13] Kombinací molekulárního modelu Ec-MscL a krystalové struktury Tb-MscL je jasné, že helixy M1 v jádru transmembránového svazku tvoří hlavní bránu mechanosenzitivního kanálu. Pravidelně umístěno glycin zbytky na segmentech M1 umožňují těsné zabalení pěti centrálních šroubovic, které tvoří úzký (~ 4 Å) hydrofobní sevření. Hydrofobní spirály M2 na obvodu hlavně MscL směřují k lipidové dvojvrstvě.[2] Je důležité si uvědomit, že helixy M1 a M2 stejné podjednotky nejsou připojeny; místo toho spirála M1 jedné podjednotky těsně kontaktuje se spirálou M2 sousední podjednotky. S dalšími interakcemi prostřednictvím a solný most v Ec-MscL je celý komplex zabezpečen společně.[2]

N-koncové domény S1 Tb-MscL nebyly v krystalové struktuře rozděleny, pouze odvozeny jako krátké a helixy spojené dohromady za vzniku dalšího cytoplazmatického hradla;[7] následující experimenty se zesíťováním cysteinu však tuto navrhovanou konfiguraci podporovaly.[14] Ukázalo se, že segment S1 může být silně mutován bez silného škodlivého účinku na funkci kanálu.[15]

Ec-MscL i Tb-MscL byly chemicky syntetizovány a rekonstituovány do membrán vezikul. Jednokanálové záznamy těchto MscL ukázaly podobnou vodivost a závislost na tlaku jako odpovídající MscL divokého typu.[16]

Biologická role

Fyzikální dopady nebo vibrace, i když jsou pro zvířata zásadní, mají malý vliv na mikroby, jako jsou E-coli. Ve srovnání s tím osmotická síla výrazně ovlivňuje jednotlivé buňky nebo mikroby v jejich vodním prostředí. Když jsou bakterie pod osmotický downshock, což je při přechodu z média vysoké osmolarita na nízký přítok vody vede k podstatnému zvýšení hodnoty turgorový tlak, který je schopen prasknout obálku buňky. Mechanosenzitivní kanály jsou hlavními cestami pro uvolňování cytoplazmatických rozpuštěných látek k dosažení rychlého snížení turgorového tlaku, čímž se zabrání lýza. Experimenty s narušením genů potvrdily, že kanály MscL nebo MscS mohou zachránit bakterie před silným osmotickým šokem, zatímco dvojitý knockout obou kanálů vede k lýze.[2]

Role MscL jako obranného mechanismu proti osmotickým šokům naznačuje jeho evoluční význam i během rané fáze biologické historie. Dohromady s MscS, MscL nebo jeho homology byly nalezeny v bakterie, archaea, houby a vyšší rostliny, ale ne zvířata.[17][18] Ačkoli se bakteriální a archaální mechanosenzitivní kanály liší vodivými a mechanosenzitivními vlastnostmi, sdílejí podobné hradlové mechanismy spouštěné mechanickou silou přenášenou lipidovou dvojvrstvou.[17] Ačkoli MscL a MscS sdílejí podobnou transmembránovou doménu a cytoplazmatickou doménu, celkové uspořádání záhybů polypeptidů v těchto MS kanálech je odlišné, což naznačuje, že nesdílejí společného evolučního předka.[1]

Mechanismy

Bakteriální mechanosenzitivní kanály, MscL a MscS, odrážejí intimní vazbu konformace proteinu s mechanikou okolní membrány. Membrána slouží jako adaptabilní senzor, který reaguje na vstup aplikované síly a převádí ji na výstupní signál. Buňka může tyto informace využít mnoha způsoby: zajištěním buněčné životaschopnosti v přítomnosti osmotického stresu a možná také slouží jako signální měnič napětí membrány.[1]

Studie ukázaly, že póry MscL expandují při uzavření na průměr ~ 30 Á, se změnou 15-16Å při otevření, což je největší známá konformační změna v proteinech kanálu.[19] Tato velká změna odpovídá za otevření póru o průměru 30Å, což vede k 20 nm2 expanze bílkovin v rovině. Taková transformace je zodpovědná za MscL jednotkovou vodivost 3 nS a nedostatek selektivity kanálu, což umožňuje jakékoli částice s molekulovou hmotností menší než ~ 1 000. Tato vlastnost MscL plní svou roli nouzového ventilu k uvolňování rozpuštěných látek pod osmotickým šokem.[18]

Pro vysvětlení hradlového mechanismu kanálů MS byly navrženy dva modely: mechanismus zprostředkovaný membránou a mechanismus padacích dveří. Mechanismus padacích dveří je zodpovědný za otevření iontových kanálů dovnitř vlásková buňka. Více důkazů však nyní naznačuje, že hradlování MscL je konkrétně moderováno mechanismem zprostředkovaným membránou, který závisí na změnách tloušťky nebo zakřivení membrány, které mohou změnit energetickou rovnováhu vložených proteinů. To je podporováno pozorováním, že změny v tloušťce fosfolipidové dvojvrstvy nebo přidání sloučenin, které indukují spontánní zakřivení membrány, přímo ovlivňují napětí potřebné k otevření MscL.[20]

Analýza profilu bočního tlaku v lipidové dvojvrstvě ukázala, že oblast rozhraní mezi uhlovodíkovými skupinami a skupinami polárních hlav vytváří vysoké napětí. Proto, když je membrána roztažena, MscL zažije tah většinou koncentrovaný v mezifázových oblastech.[2] Mutace, které ovlivňují interakce proteinů a lipidů v blízkosti rozhraní, vedou ke ztrátě fenotypů funkce.[15][21]

Napětí působící na vnitřní a vnější okraje kanálu lipidovou dvojvrstvou naklání transmembránové šroubovice MscL (Náklony šroubů M1 se mění o 35–34Ó během přechodu), což způsobuje postupnou irisovou expanzi a zploštění hlavně MscL.[22] Výsledkem je zmenšení transmembránového rozpětí helixů M2, tažením periplazmatických smyček do membrány, aby se linioval extracelulární vstup do póru, a stanovil se průměr pórů ~ 3 nm.[22] Spolu s tímto přechodem podobným duhovce je nyní pór lemován většinou polárními fazetami spirál M1, místo hydrofobního zúžení během uzavřeného stavu. Jakmile je pór hydratován, hlaveň MscL vyvíjí větší sílu na linkery S1-M1, roztahuje svazek S1 od sebe a úplně otevírá kanál.[2]

Dříve se věřilo, že Ec-MscS vykazuje složité adaptivní chování, zatímco Ec-MscL nikoli. Nedávná studie ukázala, že jak Ec-MscS, tak Ec-MscL jsou schopné adaptivního chování při podnětech konstantního tlaku ve vyříznuté membránové náplasti; oba mechanosenzitivní kanály však ztrácejí adaptivní schopnost v záznamech celých buněk, což naznačuje, že dříve známé adaptivní chování Ec-MscS souvisí se stresovou relaxací membrány namísto specifické struktury kanálu.[23] Tento výsledek dále zdůrazňuje význam interakce protein-membrána pro mechanosenzitivní kanály.

Transportní reakce

Zobecněné transportní reakce jsou:

(a) proteiny (in) → proteiny (out)
(b) ionty (ven) ions ionty (dovnitř)
(c) osmolyty (dovnitř) ⇌ osmolyty (ven)

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F Haswell ES, Phillips R, Rees DC (říjen 2011). „Mechanosenzitivní kanály: co mohou dělat a jak to dělají?“. Struktura. 19 (10): 1356–69. doi:10.1016 / j.str.2011.09.005. PMC  3203646. PMID  22000509.
  2. ^ A b C d E F G Sukharev S, Anishkin A (červen 2004). „Mechanosenzitivní kanály: co se můžeme naučit z„ jednoduchých “modelových systémů?“. Trendy v neurovědách. 27 (6): 345–51. doi:10.1016 / j.tins.2004.04.006. PMID  15165739. S2CID  23351608.
  3. ^ Martinac B, Buechner M, Delcour AH, Adler J, Kung C (duben 1987). "Iontový kanál citlivý na tlak v Escherichia coli". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 84 (8): 2297–301. Bibcode:1987PNAS ... 84.2297M. doi:10.1073 / pnas.84.8.2297. PMC  304637. PMID  2436228.
  4. ^ Sukharev SI, Blount P, Martinac B, Blattner FR, Kung C (březen 1994). "Kanál s vysokou vodivostí mechanosenzitivní v E. coli kódovaný samotným mscL". Příroda. 368 (6468): 265–8. Bibcode:1994 Natur.368..265S. doi:10.1038 / 368265a0. PMID  7511799. S2CID  4274754.
  5. ^ Chang G, Spencer RH, Lee AT, Barclay MT, Rees DC (prosinec 1998). „Struktura homologu MscL z Mycobacterium tuberculosis: uzavřený mechanosenzitivní iontový kanál“. Věda. 282 (5397): 2220–6. Bibcode:1998Sci ... 282.2220C. doi:10.1126 / science.282.5397.2220. PMID  9856938.
  6. ^ Liu Z, Gandhi CS, Rees DC (září 2009). "Struktura tetramerního MscL v rozšířeném mezilehlém stavu". Příroda. 461 (7260): 120–4. Bibcode:2009 Natur.461..120L. doi:10.1038 / nature08277. PMC  2737600. PMID  19701184.
  7. ^ A b Sukharev S, Durell SR, Guy HR (srpen 2001). "Strukturální modely hradlového mechanismu MscL". Biofyzikální deník. 81 (2): 917–36. Bibcode:2001BpJ .... 81..917S. doi:10.1016 / S0006-3495 (01) 75751-7. PMC  1301563. PMID  11463635.
  8. ^ A b Iscla I, Wray R, Blount P (září 2011). „Oligomerní stav zkráceného mechanosenzitivního kanálu velké vodivosti nevykazuje žádné odchylky in vivo“. Věda o bílkovinách. 20 (9): 1638–42. doi:10,1002 / pro.686. PMC  3190158. PMID  21739498.
  9. ^ A b Dorwart MR, Wray R, Brautigam CA, Jiang Y, Blount P (prosinec 2010). „S. aureus MscL je pentamer in vivo, ale s variabilní stechiometrií in vitro: důsledky pro membránové proteiny solubilizované detergentem“. PLOS Biology. 8 (12): e1000555. doi:10.1371 / journal.pbio.1000555. PMC  2998437. PMID  21151884.
  10. ^ Levin G, Blount P (květen 2004). „Cysteinové skenování transmembránových domén MscL odhaluje zbytky kritické pro mechanosenzitivní vtok kanálu“. Biofyzikální deník. 86 (5): 2862–70. Bibcode:2004BpJ .... 86,2862L. doi:10.1016 / S0006-3495 (04) 74338-6. PMC  1304155. PMID  15111403.
  11. ^ Blount P, Schroeder MJ, Kung C (prosinec 1997). „Mutace v bakteriálním mechanosenzitivním kanálu mění buněčnou odpověď na osmotický stres“. The Journal of Biological Chemistry. 272 (51): 32150–7. doi:10.1074 / jbc.272.51.32150. PMID  9405414.
  12. ^ Blount P, Sukharev SI, Schroeder MJ, Nagle SK, Kung C (říjen 1996). „Jednotlivé substituce reziduí, které mění hradlové vlastnosti mechanosenzitivního kanálu v Escherichia coli“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 93 (21): 11652–7. Bibcode:1996PNAS ... 9311652B. doi:10.1073 / pnas.93.21.11652. PMC  38113. PMID  8876191.
  13. ^ Sukharev S (01.01.1999). "Mechanosenzitivní kanály v bakteriích jako reportéři membránového napětí". FASEB Journal. 13 Suppl (9001): S55–61. doi:10.1096 / fasebj.13.9001.s55. PMID  10352145.
  14. ^ Sukharev S, Betanzos M, Chiang CS, Guy HR (únor 2001). "Vratový mechanismus velkého mechanosenzitivního kanálu MscL". Příroda. 409 (6821): 720–4. Bibcode:2001 Natur.409..720S. doi:10.1038/35055559. PMID  11217861. S2CID  4337519.
  15. ^ A b Maurer JA, Dougherty DA (červen 2003). „Generování a vyhodnocení velké mutační knihovny z mechanosenzitivního kanálu velké vodivosti Escherichia coli, MscL: důsledky pro hradlování kanálů a evoluční design“. The Journal of Biological Chemistry. 278 (23): 21076–82. doi:10,1074 / jbc.M302892200. PMID  12670944.
  16. ^ Clayton D, Shapovalov G, Maurer JA, Dougherty DA, Lester HA, Kochendoerfer GG (duben 2004). "Celková chemická syntéza a elektrofyziologická charakterizace mechanosenzitivních kanálů z Escherichia coli a Mycobacterium tuberculosis". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 101 (14): 4764–9. Bibcode:2004PNAS..101.4764C. doi:10.1073 / pnas.0305693101. PMC  387322. PMID  15041744.
  17. ^ A b Kloda, Anna; Martinac, Boris (2002). „Společný evoluční původ mechanosenzitivních iontových kanálů v Archaei, bakteriích a Eukaryi s buněčnými stěnami“. Archaea. 1 (1): 35–44. doi:10.1155/2002/419261. PMC  2685541. PMID  15803657.
  18. ^ A b Kung C, Martinac B, Sukharev S (2010). "Mechanosenzitivní kanály v mikrobech". Výroční přehled mikrobiologie. 64: 313–29. doi:10.1146 / annurev.micro.112408.134106. PMID  20825352.
  19. ^ Corry B, Rigby P, Liu ZW, Martinac B (prosinec 2005). "Konformační změny spojené s hradlováním kanálu MscL měřené pomocí FRET spektroskopie". Biofyzikální deník. 89 (6): L49–51. Bibcode:2005BpJ .... 89L..49C. doi:10.1529 / biophysj.105.072009. PMC  1367003. PMID  16199508.
  20. ^ Perozo E, Kloda A, Cortes DM, Martinac B (září 2002). "Fyzikální principy, které jsou základem transdukce dvouvrstvých deformačních sil během mechanosenzitivního hradlování". Přírodní strukturní biologie. 9 (9): 696–703. doi:10.1038 / nsb827. PMID  12172537. S2CID  17910920.
  21. ^ Yoshimura K, Nomura T, Sokabe M (duben 2004). „Mutace ztráty funkce na okraji trychtýře mechanosenzitivního kanálu MscL“. Biofyzikální deník. 86 (4): 2113–20. Bibcode:2004BpJ .... 86.2113Y. doi:10.1016 / S0006-3495 (04) 74270-8. PMC  1304062. PMID  15041651.
  22. ^ A b Betanzos M, Chiang CS, Guy HR, Sukharev S (září 2002). „Velká irisovitá expanze proteinu mechanosenzitivního kanálu vyvolaná napětím membrány“. Přírodní strukturní biologie. 9 (9): 704–10. doi:10.1038 / nsb828. PMID  12172538. S2CID  32505662.
  23. ^ Belyy V, Kamaraju K, Akitake B, Anishkin A, Sukharev S (červen 2010). „Adaptivní chování bakteriálních mechanosenzitivních kanálů je spojeno s membránovou mechanikou“. The Journal of General Physiology. 135 (6): 641–52. doi:10.1085 / jgp.200910371. PMC  2888061. PMID  20513760.

externí odkazy

Do tato úprava, tento článek používá obsah z „1.A.22 Rodina mechanicky citlivých iontových kanálů (MscL) s velkou vodivostí“, který je licencován způsobem, který umožňuje opětovné použití v rámci Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License, ale ne pod GFDL. Je třeba dodržovat všechny příslušné podmínky.