Порины

Порины — это семейство трансмембранных белков, образующих каналы в наружной мембране грамотрицательных бактерий, а также в мембранах митохондрий и хлоропластов эукариот. Основная функция поринов заключается в обеспечении пассивного транспорта гидрофильных молекул (ионов, аминокислот, сахаров, нуклеотидов) с молекулярной массой обычно до 600–700 Да через липидный бислой, который сам по себе непроницаем для заряженных и полярных веществ.

История открытия

Первые экспериментальные данные о существовании белковых каналов во внешней мембране бактерий были получены в 1970-х годах. В 1976 году японский микробиолог Хироси Никайдо (Hiroshi Nikaido) и его коллеги впервые выделили из клеточной стенки Escherichia coli белок, который обеспечивал проникновение гидрофильных веществ через липидный бислой. Этот белок был назван «порином» (от греч. poros — проход, отверстие). В 1980-х годах с развитием методов рентгеноструктурного анализа была определена трёхмерная структура бактериального порина OmpF из E. coli, что подтвердило модель β-цилиндра. В 1990-х годах были открыты порины в митохондриях (VDAC, voltage-dependent anion channel) и хлоропластах, что показало эволюционную консервативность этого типа белков.

Структура

Общая архитектура

В отличие от большинства мембранных белков, которые состоят из α-спиралей, порины имеют уникальную вторичную структуру, образованную антипараллельными β-листами. Эти β-листы сворачиваются в цилиндрическую структуру, называемую β-цилиндром (β-barrel). Количество β-нитей в цилиндре варьирует от 8 до 24 в зависимости от типа порина. Внутренняя полость цилиндра выстлана гидрофильными аминокислотными остатками, что обеспечивает прохождение воды и растворённых веществ, тогда как внешняя поверхность, контактирующая с липидами, состоит преимущественно из гидрофобных остатков.

Петли и селективность

Внутри β-цилиндра расположены подвижные петли, которые могут сужать или перекрывать канал. Например, у бактериальных поринов семейства OmpF (Outer membrane porin F) имеется длинная петля L3, которая сворачивается внутрь канала и формирует так называемый «сужающийся участок» (constriction zone). Этот участок определяет селективность канала по размеру и заряду молекул. В некоторых поринах, таких как LamB (мальтопорин), петли образуют специфические сайты связывания для определённых сахаров, что облегчает их транспорт.

Олигомерная организация

Большинство бактериальных поринов существуют в мембране в виде тримеров (гомотримеров). Каждый мономер содержит свой собственный β-цилиндр, а три мономера плотно упакованы друг с другом, образуя стабильный комплекс. Тримерная структура повышает механическую прочность и термостабильность белка. Митохондриальные и хлоропластные порины, напротив, чаще функционируют как мономеры или димеры.

Классификация

Порины классифицируют по нескольким признакам: происхождению, структуре, механизму транспорта и селективности.

По происхождению

• Бактериальные порины — наиболее изученная группа. Встречаются у всех грамотрицательных бактерий (например, E. coli, Salmonella, Pseudomonas). У грамположительных бактерий порины отсутствуют, так как их клеточная стенка не содержит внешней мембраны.
• Эукариотические порины — обнаружены в наружных мембранах митохондрий (VDAC) и хлоропластов (OEP, outer envelope protein). Они играют ключевую роль в метаболизме этих органелл, регулируя обмен метаболитами с цитоплазмой.

По структуре

• Общие (неспецифические) порины — образуют каналы, которые пропускают широкий спектр гидрофильных молекул, ограниченных только по размеру (например, OmpF, OmpC). Селективность по заряду может быть слабо выражена.
• Специфические порины — имеют в канале сайты связывания для определённых субстратов (сахаров, аминокислот, фосфатов). Транспорт через них происходит по механизму облегчённой диффузии. Примеры: LamB (мальтоза), ScrY (сахароза), PhoE (фосфаты).
• Лиганд-зависимые порины — их проницаемость регулируется связыванием малых молекул (лигандов) или изменением мембранного потенциала. К этой группе относят митохондриальный VDAC, который может переключаться между открытым и закрытым состоянием под действием напряжения.

По селективности

• Катион-селективные — преимущественно пропускают положительно заряженные ионы (например, OmpF).
• Анион-селективные — пропускают отрицательно заряженные ионы (например, PhoE).
• Нейтральные — не имеют выраженной зарядовой селективности.

Функции

У бактерий

Основная функция бактериальных поринов — обеспечение пассивного транспорта питательных веществ (сахаров, аминокислот, нуклеотидов, витаминов) из внешней среды в периплазматическое пространство. Кроме того, порины участвуют в:

• Выведении токсинов и отходов — через них могут выходить наружу некоторые метаболиты и антибиотики.
• Антибиотикорезистентности — снижение экспрессии поринов или их мутации являются одним из механизмов устойчивости бактерий к антибиотикам (например, к карбапенемам у Pseudomonas aeruginosa).
• Адгезии и патогенезе — некоторые порины (например, OmpA) служат адгезинами, способствующими прикреплению бактерий к клеткам хозяина.

У эукариот

В митохондриях порин VDAC является основным каналом для обмена метаболитами (АТФ, АДФ, пируват, малат) между цитоплазмой и митохондриальным матриксом. VDAC также участвует в регуляции апоптоза, связывая белки семейства Bcl-2. В хлоропластах порины OEP обеспечивают транспорт предшественников белков и метаболитов через внешнюю мембрану.

Роль в медицине и биотехнологии

Мишень для антибиотиков

Порины являются важным фактором проникновения многих антибиотиков (β-лактамов, фторхинолонов, тетрациклинов) внутрь бактериальной клетки. Изучение структуры поринов позволяет разрабатывать новые антибиотики, которые могут эффективно проходить через эти каналы, а также преодолевать механизмы резистентности, связанные с мутациями поринов.

Биосенсоры и нанотехнологии

Благодаря способности образовывать стабильные каналы с регулируемой проводимостью, порины используются для создания биосенсоров. Например, порин α-гемолизин (хотя он не является классическим порином, а относится к порообразующим токсинам) применяется для секвенирования ДНК методом нанопор. Бактериальные порины, такие как OmpF, используются в исследованиях для моделирования транспорта ионов и молекул через мембраны.

Иммунология

Порины бактерий являются мощными иммуногенами. Они распознаются рецепторами врождённого иммунитета (например, TLR2, TLR4), что запускает воспалительную реакцию. В составе вакцин против некоторых бактерий (например, Neisseria meningitidis) используются очищенные порины.

Интересные факты

• Диаметр канала большинства бактериальных поринов составляет около 1–2 нм, что позволяет проходить молекулам массой до 600–700 Да. Однако существуют «суперпорины» (например, OmpF из E. coli), которые могут пропускать молекулы до 1000 Да.
• Порины митохондрий (VDAC) имеют высокую степень гомологии с бактериальными поринами, что подтверждает эндосимбиотическую теорию происхождения митохондрий.
• Некоторые бактерии, например Mycobacterium tuberculosis, имеют порины с очень узкими каналами, что делает их природно устойчивыми ко многим гидрофильным антибиотикам.
• В 2021 году исследователи из Университета Осаки впервые визуализировали процесс открытия и закрытия единичного порина с помощью атомно-силовой микроскопии высокого разрешения.

Источники

• Nikaido H. (1992). Porins and specific channels of bacterial outer membranes. Molecular Microbiology, 6(4), 435–442.
• Schulz G. E. (2002). The structure of bacterial outer membrane proteins. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, 1565(2), 308–317.
• Benz R. (2005). Structure and function of porins from gram-negative bacteria. Annual Review of Microbiology, 42, 359–393.
• Colombini M. (2004). VDAC: The channel at the interface between mitochondria and the cytosol. Molecular and Cellular Biochemistry, 256–257(1–2), 107–115.
• Pagès J. M., James C. E., Winterhalter M. (2008). The porin and the permeating antibiotic: a selective diffusion barrier in Gram-negative bacteria. Nature Reviews Microbiology, 6(12), 893–903.
• Koebnik R., Locher K. P., Van Gelder P. (2000). Structure and function of bacterial outer membrane proteins: barrels in a nutshell. Molecular Microbiology, 37(2), 239–253.