V II. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕМБРАННОГО ТРАНСПОРТА
V II. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕМБРАННОГО ТРАНСПОРТА
Составители программы курса: академик Е.В. Гришин,
к.х.н. А.А. Василевский
1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
1.1. Цель курса: приобретение студентами знаний по теоретическим аспектам мембранного транспорта, методам изучения механизмов нервного возбуждения, принципам структурной организации ионных каналов, нейрорецепторов и нейрорегуляторов.
1.2. Задачи курса: получение современного представления о молекулярной организации, функции и регуляции основных представителей мембранных транспортных систем, изучение молекулярных аспектов передачи нервного импульса и функционирования электровозбудимых и хемовозбудимых ионных каналов, структурно-функциональной организации систем активного транспорта.
1.3. Трудоемкость выполнения: 19 часов – лекции; 1 час – семинары.
Всего часов
Аудиторные занятия (час), в том числе:
Самостоятельная работа
(час)
лекции
практические занятия, семинары
лабораторные работы
-
1.4. Форма итоговой проверки и оценки знаний: I семестр – экзамен.
2. ПРОГРАММА КУРСА
2.1. Распределение аудиторных часов курса по темам и видам работ:
№
Наименование тем и разделов
(с развернутым содержанием курса
по каждой теме и разделу)
Аудиторные занятия (час),
в том числе:
Лекции
Семинары
Разнообразие систем мембранного транспорта
Понятие о проницаемости клеточной мембраны. Мембранный потенциал. Ионный и электрический градиент. Электрохимический потенциал. Другие источники энергии для транспортных систем. Общие представления о мембранных транспортных белках. Мембранные системы пассивного и активного транспорта. Ионофоры. Унипорт, симпорт, антипорт.
Первичный активный транспорт
Светозависимый транспорт протонов. Каналродопсины. Молекулярные основы оптогенетики. Разнообразие и принципы структурной организации мембранных АТФаз. АТФ-синтаза. ABC транспортеры. Структура и свойства АТФаз P-типа: Na+,K+-АТФазы, Са2+-АТФазы саркоплазматического ретикулума. Примеры других систем активного транспорта.
-
Передача нервного импульса
Потенциал покоя и потенциал действия. Электро- и хемовозбудимые системы нервной клетки. Ионные каналы и нейрорецепторы. Секреция нейромедиатора. Методы изучения молекулярных механизмов нервного возбуждения.
-
Нейротоксины
Нейротоксины как инструменты исследования компонентов возбудимой мембраны. Структура и механизм действия аксональных, пре- и постсинаптических нейротоксинов.
-
Ионные каналы
Общие принципы структурной организации потенциал-чувствительных ионных каналов. Разнообразие, структура и свойства калиевых каналов. Организация и свойства натриевых каналов. Понятие об активации, инактивации и селективности. Молекулярные структуры, обуславливающие эти явления. Структура и свойства кальциевых каналов. Селективные лиганды ионных каналов.
-
Нейрорецепторы
Принципы структурной организации хемовозбудимых рецепторов. Возбуждающие и тормозящие нейрорецепторы. Строение и функция рецепторов ацетилхолина. Молекулярный механизм их активации. Строение рецепторов гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) и глицина. Понятие о рецепторах глутамата, их типы и функции. Кислоточувствительные и АТФ-активируемые каналы. Селективные лиганды нейрорецепторов.
-
Сенсорная биология
Рецепторы органов чувств. Механорецепторы и терморецепторы, их структура и функция. Понятие о болевых рецепторах.
-
Транспортеры
Транспортные системы для нейромедиаторов. Обратный захват и транспорт в секреторные везикулы. Структурное и функциональное разнообразие транспортеров.
-
Молекулярные механизмы экзоцитоза
Механизм слияния мембран. Нейроэкзоцитоз. SNARE белки. Токсины, влияющие на экзоцитоз.
-
Всего:
Итого:
3. ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ
1. Мембранные системы пассивного и активного транспорта. Мембранный потенциал. Ионный и электрический градиент. Электрохимический потенциал. Другие источники энергии для транспортных систем.
2. Светозависимый транспорт протонов. Молекулярные инструменты оптогенетики.
3. АТФ-синтаза, принципы структурной организации и механизм работы фермента.
4. Структура и свойства Na+,K+-АТФазы и Са2+-АТФазы саркоплазматического ретикулума.
5. Передача нервного импульса. Потенциал покоя и потенциал действия. Электро- и хемовозбудимые системы нервной клетки. Ионные каналы и нейрорецепторы.
6. Нейротоксины как инструменты исследования нервной системы. Структура и механизм действия аксональных, пре- и постсинаптических нейротоксинов.
7. Общие принципы структурной организации потенциал-чувствительных ионных каналов. Структура и свойства калиевых каналов. Молекулярные основы селективности.
8. Структура и свойства натриевых каналов. Понятие об активации, инактивации и селективности. Молекулярные структуры, обуславливающие эти явления. Селективные лиганды.
9. Структура и свойства кальциевых каналов. Селективные лиганды.
10. Кислоточувствительные и АТФ-активируемые каналы.
11. Строение и функция рецепторов ацетилхолина. Молекулярные механизмы их активации. Селективные лиганды.
12. Строение рецепторов гамма-аминомасляной кислоты и глицина. Селективные лиганды.
13. Типы, строение и функция рецепторов глутамата. Молекулярные механизмы их активации. Селективные лиганды.
14. Транспортные системы для нейромедиаторов. Обратный захват и транспорт в секреторные везикулы.
15. Механорецепторы. Структура и функция.
16. Терморецепторы. Структура и функция.
17. Молекулярный механизм секреции нейромедиатора. Токсины, влияющие на экзоцитоз.
4. ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1. B. Hille. "Ion Channels of Excitable Membranes", Sinauer Associates, Inc., Sunderland, Massachusetts, USA, 2001.
2. M. Luckey. "Membrane Structural Biology"; 2 edition, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2014.
Дополнительная:
3. Ю.А. Овчинников. Биоорганическая химия. М., «Просвещение», 1987.
4. Neutze, R. et al. Bacteriorhodopsin: a high-resolution structural view of vectorial proton transport. Biochim Biophys Acta 1565, 144-167 (2002).
5. Deisseroth, K. Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nat Neurosci 18, 1213-1225 (2015).
6. Stock, D., Gibbons, C., Arechaga, I., Leslie, A.G. & Walker, J.E. The rotary mechanism of ATP synthase. Curr Opin Struct Biol 10, 672-679 (2000).
7. Olesen, C. et al. The structural basis of calcium transport by the calcium pump. Nature 450, 1036-1042 (2007).
8. Morth, J.P. et al. Crystal structure of the sodium-potassium pump. Nature 450, 1043-1049 (2007).
9. Locher, K.P. Structure and mechanism of ATP-binding cassette transporters. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 364, 239-245 (2009).
10. Yu, F.H. & Catterall, W.A. The VGL-chanome: a protein superfamily specialized for electrical signaling and ionic homeostasis. Sci STKE 2004, re15 (2004).
11. Doyle, D.A. et al. The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity. Science 280, 69-77 (1998).
12. Long, S.B., Campbell, E.B. & Mackinnon, R. Crystal structure of a mammalian voltage-dependent Shaker family K+ channel. Science 309, 897-903 (2005).
13. Pan X et al. Structure of the human voltage-gated sodium channel Nav1.4 in complex with β1. Science 362, pii: eaau2486 (2018).
14. Unwin, N. Refined structure of the nicotinic acetylcholine receptor at 4Å resolution. J Mol Biol 346, 967-989 (2005).
15. Sigel, E. & Steinmann, M.E. Structure, function, and modulation of GABA(A) receptors. J Biol Chem 287, 40224-40231 (2012).
16. Du, J., Lu, W., Wu, S., Cheng, Y. & Gouaux, E. Glycine receptor mechanism elucidated by electron cryo-microscopy. Nature 526, 224-229 (2015).
17. Durr, K.L. et al. Structure and dynamics of AMPA receptor GluA2 in resting, pre-open, and desensitized states. Cell 158, 778-792 (2014).
18. Schiavo, G., Matteoli, M. & Montecucco, C. Neurotoxins affecting neuroexocytosis. Physiol Rev 80, 717-766 (2000).
19. Yamashita, A., Singh, S.K., Kawate, T., Jin, Y. & Gouaux, E. Crystal structure of a bacterial homologue of Na+/Cl−-dependent neurotransmitter transporters. Nature 437, 215-223 (2005).
20. Wu, L.J., Sweet, T.B. & Clapham, D.E. Current progress in the mammalian TRP ion channel family. Pharmacol Rev 62, 381-404 (2010).
21. Ranade, S.S., Syeda, R. & Patapoutian, A. Mechanically activated ion channels. Neuron 87, 1162-1179 (2015).
