Строение и функции мембраны, ионные каналы и их функции, ионные градиенты. Ионный канал

Ионные каналы (ИК) - это мембранные молекулярные структуры, образованные интегральными (трансмембранными) белками, пронизывающими клеточную мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующими в мембране сквозной канал (пору). Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. ИК могут иметь не один, а несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами (лигандами).

ИК состоят из белков сложной структуры (белков-каналоформеров).

Белки ИК имеют определённую конформацию, образующую трансмембранную пору, и "вшиты" в липидный слой мембраны. Канальный белковый комплекс может состоять либо из одной белковой молекулы, либо из нескольких белковых субъединиц, одинаковых или разных по строению. Эти субъединицы могут кодироваться разными генами, синтезироваться на рибосомах по-отдельности и затем собираться в виде целостного канала. В другом случае канал может представлять собой единый полипептид, который в виде петель прошивает мембрану несколько раз. На начало XXI века известно более 400 белков-каналоформеров, для биосинтеза которых используется 1-2% генома человека.

Домены - это отдельные компактно оформленные части канального белка или субъединиц. Сегменты - это части белкка-каналоформера, свёрнутые спирально и прошивающие мембрану. Концевые домены белка-каналоформера (N- и С-терминальные домены) могут торчать из мембраны как наружу, так и внутрь клетки.

Практически все ИК имеют в составе своих субъединиц регуляторные домены , способные связываться с различными управляющими веществами (регуляторными молекулами) и за счёт этого менять состояние или свойства канала. В потенциал-активируемых ИК один из трансмембранных сегментов содержит специальный набор аминокислот с положительными зарядами и работает как сенсор электрического потенциала мембраны. При изменении потенциала такой сенсор меняет состояние канала с открытого на закрытое или наоборот. Таким образом, ИК могут управляться определёнными воздействиями извне, это важное их свойство.

ИК в своём составе могут иметь также вспомогательные субъединицы , выполняющие модуляторные, структурные или стабилизирующие функции. Один класс таких субъединиц - внутриклеточные, расположенные полностью в цитоплазме, а второй - мембранные, т.к. они имеют трансмембранные домены, прошивающие мембрану.

Классификация ионных каналов:

По типу активации
-Потенциалзависимые
-Лигандзависимые

Механоактивируемые

По селективности
-Селективные (Na, K, Ca, Cl)
-Неселективные

По кинетике
-Быстрые
-Медленные

Смешанные

Натриевый канал

Является потенциалзависимым ионным каналом, который обеспечивает быстрое увеличение натриевой проводимости, ответственное за фазу деполяризации при развитии потенциала действия в нервных и мышечных клетках. Каналы, выделенные из тканей млекопитающих, имеют молекулярную массу ~335000. Na+ -каналы взаимодействуют с различными токсинами, в частности с тетродотоксином, сакситоксином и α-токсином скорпиона, которые очень прочно связываются с канальными белками и могут использоваться при количественных биохимических измерениях.

Калиевый канал

Потенциалзависимые К-каналы расположенны как в плазматической мембране, так и в саркоплазматическом ретикулуме. Общим свойством этих каналов является чувствительность к ингибирующему действию тетраэтиламмония, 4-аминопиридина и Cs , хотя эффективность действия этих ингибиторов на разные подтипы каналов существенно различна. Эти каналы активируются при деполяризации и осуществляют реполяризацию мембраны во время потенциала действия. Скорость их инактивации низка - от 100 мс до нескольких секунд.

5. Понятие о возбудимости. Параметры возбудимости нервно-мышечной системы: порог раздражения (реобаза), полезное время (хронаксия). Зависимость силы раздражения от времени его действия (кривая Гоорвега-Вейса). Рефрактерность.

Возбудимость – это способность (свойство) некоторых физиологических систем отвечать на внешнее или внутреннее воздействие специализированной ответной реакцией – генерацией потенциала действия.

Клетки, способные к возбуждению (в организме человека), - мышечные, нервные, секреторные - называют возбудимыми. Все прочие клетки являются раздражимыми. Из этого следует, что раздражимость более общее свойство живых систем, тогда как возбудимость является частным и специализированным проявлением раздражимости.

Для любой возбудимой системы существует своя минимальная сила стимула, вызывающая возбуждение. Она получила название порог или реобаза.

Любой раздражитель должен действовать не меньше определенного времени, чтобы вызвать реакцию возбуждения это время именуют латентное или полезное время.

Хронаксия - это частный случай полезного времени действия стимула величиной в 2 порога (2 реобазы).

Лабильность – мера возбудимости или максимальный ритм импульсации, который способна воспроизвести возбудимая система в единицу времени. Величина лабильности обратно пропорциональна длительности фазы абсолютной рефрактерности, т.е. 1/АРФ (сек).

Закон длительности раздражений . Ответная реакция ткани зависит от длительности раздражения, но осуществляется в определенных пределах и носит прямо пропорциональный характер. Существует зависимость между силой раздражения и временем его действия. Эта зависимость выражается в виде кривой силы и времени. Эта кривая называется кривой Гоорвега-Вейса-Лапика. Кривая показывает, что каким бы сильным ни был бы раздражитель, он должен действовать определенный период времени. Если временной отрезок маленький, то ответная реакция не возникает. Если раздражитель слабый, то бы как длительно он ни действовал, ответная реакция не возникает. Сила раздражителя постепенно увеличивается, и в определенный момент возникает ответная реакция ткани. Эта сила достигает пороговой величины и называется реобазой (минимальной силой раздражения, которая вызывает первичную ответную реакцию). Время, в течение которого действует ток, равный реобазе, называется полезным временем.

График зависимости «сила-время/длительность» (кривая Гоорвега-Вейса-Лапика)

Рефрактерность – (физиологическое свойство возбудимых тканей) временное снижение возбудимости одновременно с возникшим в ткани возбуждением. Рефрактерность бывает абсолютной (нет ответа ни на какой раздражитель) и относительной (возбудимость восстанавливается, и ткань отвечает на подпороговый или сверхпороговый раздражитель);

6. Ионные насосы (АТФ-азы): К+-Na+-евая, Са2+-евая (плазмолеммы и саркоплазматического ретикулума). Н+-К+-лбменник.

Краткое описание:

Сазонов В.Ф. Ионные каналы мембраны [Электронный ресурс] // Кинезиолог, 2009-2017: [сайт]. Дата обновления: 31.01.2017..__.201_). _Обзор ионных каналов мембраны. Определение понятия "ионные каналы", их строение, свойства, функции, функциональные состояния, функциональная классификация.

Введение

Ионные каналы (ИК) клеточной мембраны имеют огромное значение для жизни клеток. Они обеспечивают обмен клетки с окружающей средой веществом, энергией и информацией, с них начинаются и ими поддерживаются процессы возбуждения и торможения в нервной системе и мышцах, именно они (вместе и другими молекулярными рецепторами) обеспечивают восприятие клеткой внешних сигналов. С помощью ИК происходит передача в клетку управляющих сигналов из окружающей её среды. Именно ИК обеспечивают синаптическую передачу возбуждения от возбуждённого нейрона на другие клетки. Обобщая, можно сказать, что почти все важнейшие физиологические процессы в организме начинаются с ионных каналов и поддерживаются ими!

Определение понятия

Ионные каналы мембраны - это маленькие белковые трубочки разного диаметра, вставленные в клеточную мембрану, через которые внутрь клетки или наружу могут перемещаться ионы. Перемещение ионов через ионные каналы приводит к изменению концентрации ионов внутри и снаружи клетки, а также к изменению электрического потенциала мембраны. Перемещение в клетку ионов кальция через кальциевые каналы запускает в ней различные внутренние биохимические процессы. Существует множество видов ионных каналов. © 2014-2017 Сазонов В.Ф. © 2014-2016 kineziolog.bodhy.ru..

Ионный канал клеточной мембраны - это отверстие в мембране, обмётанное по краям белковой нитью, через которое через мембрану могут перемещаться ионы. Белковая нить нужна для того, чтобы отверстие не затянулось жировым слоем мембраны. Во многих случаях белковая нить, или каналообразующий белок, обладает функциональной активностью и контролирует пропускную способность канала по отношению к различным ионам. © 2014-2017 Сазонов В.Ф. © 2014-2016 kineziolog.bodhy.ru..

Итак, ионные каналы (ИК) - это сложные трансмембранные белковые структуры, пронизывающие клеточную мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующие в мембране сквозное отверстие (пору). Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. ИК могут иметь не один, а несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами (лигандами).

Ионные каналы можно рассматривать как транспортный механизм , обеспечивающий перемещение ионов между цитоплазмной клетки и наружной средой.

Кроме ИК в мембране суцществуют и другие транспортные системы для переноса через неё различных веществ (смотрите транспортные механизмы мембраны). Так, перенос веществ может осуществляться специальными транспортными белками , или транслоказами . Транслоказы - это несколько иное понятие, чем ИК. В отличие от мембранных каналов , транслоказы в процессе переноса вещества через мембрану взаимодействуют с ним как с лигандом и при этом претерпевают конформационные изменения . По кинетике перенос веществ с помощью транслоказ в виде облегчённой диффузии напоминает ферментативную реакцию.

Упрощённое определение:

Ионные каналы - это поры (дырочки) в клеточной липидной мембране, которые "обшиты" по краям белковой нитью, чтобы дырочки не затянулись. Эти поры могут становиться пошире или поуже: либо сами по себе, либо при определённых воздействиях. Каналы могут иметь разное строение, поэтому разные виды каналов имеют разную проницаемость, избирательность и управляемость.

Итак, ионный канал - это интегральный белок, образующий в мембране пору для обмена клетки с окружающей средой ионами K + , Na + , H + , Ca 2+ , Cl - , а также водой, и способный изменять свою проницаемость.

Аквапорины - водные неионные каналы мембраны

В мембране существуют и неионные каналы. Например, аквапорины - это специальные водные каналы , пропускающие через себя воду. Это тоже мембранные каналы, хотя их формально нельзя назвать "ионными каналами".

Пространственная структура канального белка-аквапорина представляет собой цилиндрический канал, по которому движутся молекулы воды. Через него проходит вода и только вода, но не ионы. Аминокислоты в этом белке расположены таким образом, что полярность создаваемого ими электростатического поля переключается в центре канала на обратную. Поэтому молекулы воды, дойдя до середины канала, переворачиваются так, что их дипольные моменты в верхней и нижней части канала оказываются направленными в противоположные стороны. Такое переориентирование предотвращает просачивание через канал заряженных ионов. Аквапорин не пропускает даже ионы гидроксония H3O+ (то есть гидратированные протоны, или ионы водорода), от концентрации которых зависит кислотность среды. При этом клеточный мембранный "водопровод" обладает потрясающей пропускной способностью: он пропускает до миллиарда молекул воды в секунду. Сейчас известно уже около 200 разновидностей белков водных каналов у растений и животных, в том числе 11 - у человека. Благодаря аквапоринам клетки не только регулируют свой объём и внутреннее давление, но и выполняют такие важные функции, как всасывание воды в почках животных и корешках растений.

В настоящее время в молекулярной биологии в основном завершён описательный период в исследовании многообразия катион-транспортирующих ионных каналов в клетках эукариот. Теперь на первый план выходят проблемы познания механизмов регуляции ионных каналов и описание их участия в реакциях живой клетки на различные воздействия и на изменение её микроокружения.

Регулирумый перенос ионов через гидрофильные поры мембраны с помощью управляемых ИК является важнейшим свойством живых клеток, как электровозбудимых, так и невозбудимых.

В связи с этим целесообразно использовать в классификации ионных каналов именно принцип управления их деятельностью. Принцип управления состоянием ионных каналов и был положен в основу предложенной нами () функциональной классификации ионных каналов.

Видео: Ионные каналы в мембране

Строение ИК

ИК состоят из белков сложной структуры (белков-каналоформеров). Схематические изображения ИК приведены ниже, например: .

На рисунке справа показан натриевый канал: вид сверху, с наружной стороны мембраны (Источник: Horn R. (2011). Peering into the spark of life . Nature 475 , 305–306).

Белки ИК имеют определённую конформацию, образующую трансмембранную пору, и "вшиты" в липидный слой мембраны. Канальный белковый комплекс может состоять либо из одной белковой молекулы, либо из нескольких белковых субъединиц, одинаковых или разных по строению. Эти субъединицы могут кодироваться разными генами, синтезироваться на рибосомах по-отдельности и затем собираться в виде целостного канала. В другом случае канал может представлять собой единый полипептид, который в виде петель прошивает мембрану несколько раз. На начало XXI века известно более 400 белков-каналоформеров, для биосинтеза которых используется 1-2% генома человека.

Домены - это отдельные компактно оформленные части канального белка или субъединиц. Сегменты - это части белкка-каналоформера, свёрнутые спирально и прошивающие мембрану. Концевые домены белка-каналоформера (N- и С-терминальные домены) могут торчать из мембраны как наружу, так и внутрь клетки.

Практически все ИК имеют в составе своих субъединиц регуляторные домены , способные связываться с различными управляющими веществами (регуляторными молекулами) и за счёт этого менять состояние или свойства канала. В потенциал-активируемых ИК один из трансмембранных сегментов содержит специальный набор аминокислот с положительными зарядами и работает как сенсор электрического потенциала мембраны. При изменении потенциала такой сенсор меняет состояние канала с открытого на закрытое или наоборот. Таким образом, ИК могут управляться определёнными воздействиями извне, это важное их свойство.

ИК в своём составе могут иметь также вспомогательные субъединицы , выполняющие модуляторные, структурные или стабилизирующие функции. Один класс таких субъединиц - внутриклеточные, расположенные полностью в цитоплазме, а второй - мембранные, т.к. они имеют трансмембранные домены, прошивающие мембрану.

По структуре ИК возможно провести их классификацию, о чём будет сказано ниже.

Свойства ИК

Селективность - это избирательная повышенная проницаемость ИК для определённых ионов. Для других ионов проницаемость понижена. Такая избирательность определяется селективным фильтром - самым узким местом канальной поры. Фильтр, кроме узких размеров, может иметь также локальный электрический заряд. Например, катион-селективные каналы обычно имеют в области своего селективного фильтра отрицательно заряженные остатки аминокислот в составе белковой молекулы, которые притягивают положительные катионы и отталкивают отрицательные анионы, не пропуская их через пору.

Управляемая проницаемость - это способность ИК открываться или закрываться при определённых управляющих воздействиях на канал. Понятно, что закрытый канал имеет пониженную проницаемость, а открытый - повышенную. По этому свойству ИК можно классифицировать в зависимости от способов их открытия: например, потенциал-активируемые, лиганд-активируемые и т.д.

Инактивация - это способность ИК через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать.

Быстрая инактивация - это особый процесс со своим особым механизмом, отличающийся от медленного закрытия канала (медленной инактивации). Закрытие (медленная инактивация) канала происходит за счёт процессов, противоположных процессам, обеспечившим его открытие, т.е. за счёт изменения конформации канального белка. А вот, например, у потенциал-активируемых каналов быстрая инактивация происходит с помощью специальной молекулярной "пробки-затычки", напоминающей пробку на цепочке, которую обычно используют в ваннах. Эта пробка представляет собой аминокислотную (полипептидную) петлю с утолщением на конце в виде трёх аминокислот, которым и затыкается внутреннее устье канала со стороны цитоплазмы. Именно поэтому потенциал-зависимые ИК для натрия, обеспечивающие развитие потенциала действия и движение нервного импульса, могут пропускать в клетку ионы натрия только в течение нескольких миллисекунд, а затем они автоматически закрываются своими молекулярными пробками, несмотря на то, что открывающая их деполяризация продолжает действовать. Другим механизмом инактивации ИК может служить модификация дополнительными субъединицами внутриклеточного устья канала.

Блокировка - это способность ИК под действием веществ-блокаторов фиксировать какое-то одно своё состояние и не реагировать на обычные управляющие воздействия. В таком состоянии канал просто перестаёт давать ответы на управляющие воздействия. Блокировку вызывают вещества-блокаторы , которые могут называться антагонистами , блокаторами или литиками .

Антагонисты - это вещества, препятствующие активирующему действию других веществ на ИК. Такие вещества способны хорошо связываться с рецепторным участком ИК, но не способны изменить состояние канала, вызвать его ответную реакцию. Получается блокада рецептора и вместе с ним - блокада ИК. Следует помнить, что антагонисты не обязательно вызывают полную блокаду рецептора и его ИК, они могут действовать более слабо и лишь ингибировать (угнетать) работу канала, но не прекращать её полностью

Агонисты-антагонисты - это вещества, которые обладают слабым стимулирующим влиянием на рецептор, но при этом блокируют действие естественных эндогенных управляющих веществ.

2. Потенциал-управляемые (потенциал-чувствительные, потенциал-зависимые, потенциал-активируемые, voltage-gated). Так, потенциал-управляемые натриевые каналы открываются под действием сдвига электрического потенциала мембраны, превышающего критический уровень деполяризации. Поэтому при достижении определённого порогового уровня деполяризации мембраны они открываются, а при обратном снижении уровня деполяризации - оказываются закрытыми. Но важно знать то, что ещё до обратного снижения уровня деполяризации эти каналы закрываются с внутренней стороны специальными белковыми "пробками" и это происходит автоматически, незасисимо от изменений деполяризации. Вследствие этого потенциал-управляемые натриевые ИК находятся в открытом состоянии всего несколько миллисекунд, а потом закрываются "пробкой", т.е. инактивируются. Окончательно они переходят в закрытое состояние при реполяризации и восстановлении потенциала покоя. Как при химической, так и при фармакологической модификации таких ИК у них сохраняется основной механизм активации и инактивации в ответ на сдвиг мембранного потенциала, что и определяет быстрые изменения катионной проницаемости возбудимых мембран за счёт потенциал-управляемых ИК. Именно такого типа потенциал-управляемые натриевые ИК обеспечивают перемещение нервного импульса по мембране нейрона (смотри: потенциал действия и нервный импульс). Такие потенциал-зависимые натриевые каналы I открываются на уровне КУД, т.е. -55mV, они и формируют потенциал действия и нервный импульс.

Примеры: тетродотоксин-чувствительные натриевые каналы, потенциал-активируемые К-каналы, калиевые Kdr-каналы задержанного выпрямления, кальциевые каналы пресинаптических окончаний аксонов .

На рисунке справа - условная схема работы потенциал-управляемого ИК (кликните на рисунок, чтобы увидеть процесс в динамике).

3. Хемо -управляемые (хемочувствительные, хемозависимые, лиганд-управляемые, лиганд-зависимые, рецептор-активируемые). Они открываются при связывании с рецепторным участком канала специфического лиганда (управляющего вещества: трансмиттера или его миметика). Такие каналы обычно локализованы в химических синапсах на их постсинаптических мембранах и преобразуют химический сигнал, возникающий за счёт пресинаптического высвобождения нейромедиатора, в постсинаптический электрический локальный потенциал. Смотри: локальный потенциал , 3_3 Синапсы , синапсы, медиаторы и модуляторы .

Примеры: каналы с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами nAChR), серотониновыми рецепторами (5-HT3), глициновыми, ГАМК-рецепторами (GABAA и GABAC).

На рисунке справа - лиганд-управляемый ионный канал с никотиновым ацетилхолиновым рецептором (никотин - миметик, ацетилхолин - трансмиттер). Канал состоит из 5 субъединиц и поры в центре. Вверху - поперечный разрез этих субъединиц: a1, a2, b, g, d. Внизу - участки субъединиц, образующих «воротную систему» канала. Представлены аминокислотные последовательности М2 a-спирали в b- и d-. Из 5 субъединиц, образующих пору, изображены лишь 4, а ближайшая к нам удалена, чтобы были видны участки М2, облицовывающие ионный канал, и ворота. Видно, что большая часть молекулы белка выходит за пределы внешней поверхности плазматической мембраны, образуя молекулярные рецепторы к лиганду. Каждая из двух a-субъединица содержит связывающий центр для ацетилхолина, следовательно, с рецептором может связаться 2 молекулы лиганда (нейротрансмиттера или нейромиметика). Ворота, находящиеся в пределах поры, открываются при связывании ацетилхолина с рецепторным участком канала. Отрицательно заряженные остатки глутаминовой и аспарагиновой аминокислот (они выделены синим цветом) имеются в обоих концах М2-спиралей, т.е. с двух сторон поры, благодаря чему предотвращается вход в канал анионов, а катионы Na + и К + при его закрытом состоянии могут быть связаны уже в самом канале.

Видео: Работа хемо-управляемого (лиганд-управляемого) ионного канала

4. Стимул-управляемые (механочувствительные, механосенситивные, стретч-активируемые, stretch-activated, протон-активируемые, температурно-чувствительные).

Они открываются под воздействием специфичного и адекватного для них стимула (раздражителя). Такие каналы обеспечивают сенсорное восприятие и располагаются в мембране сенсорных рецепторов.

Пример: механочувствительные ИК рецепторных волосковых клеток, обеспечивающих слуховое восприятие; температурно-чувствительные ИК терморецепторов кожи, обеспечивающие восприятие тепла и холода.

В настоящее время стимул-управляемые механочувствительные ИК обнаружены не только в специализированных механорецепторных структурах, но также и в мембранах бактерий, грибов, растений, позвоночных и беспозвоночных животных. Механочувствительные каналы не только обеспечивают сенсорное восприятие механического раздражения, но также вовлечены в контроль клеточного цикла, регуляцию объёма и роста клеток, секрецию и эндоцитоз.

TRP-каналы в мембране терморецепторов кожи обеспечивают термотрансдукцию, открываясь при различных значениях темпераруры. Они пропускают катионы, особенно ионы кальция.

5. Совместно-управляемые (NMDA-рецепторно-канальный комплекс). Они открываются одновременно как лигандами, так и определённым электрическим потенциалом мембраны. Можно сказать, что у них двойное управление.

Пример: NMDA-рецепторно-канальный комплекс , имеющий сложную систему управления, включающую в себя 8 рецепторных участков-сайтов, с которыми могут связываться различные лиганды.

6. Опосредованно -управляемые (вторично-управляемые, ион-активируемые, ион-зависимые, мессенджер-управляемые, управляемые метаботропными рецепторами). Они открываются и закрываются не под действием прямых внешних сигналов, а вследствие опосредованного воздействия на них внутриклеточных вторичных мессенджеров (ионов кальция Са 2+ , цАМФ, цГМФ, ИФ3, диацилглицерола). Основной механизм такого управления - фосфорилирование ионного канала с внутренней стороны мембраны.

Опосредованное вторичными мессенджерами управление является не прямым, а вторичным. Оно зависит не только от внешнего воздействующего сигнала, но и от наличия, концентрации и активности вторичных мессенджеров. Пусковым сигналом к началу этого процесса может служить воздействие на так называемый метаботропный рецептор , не относящийся к структуре самого управляемого ионного канала и расположенный на мембране где-то отдельно от него. Воздействие на метаботропный рецептор приводит к повышению в клетке концентрации вторичных посредников-мессенджеров. Это ионы Са 2+ , цАМФ, цГМФ, ИФ3, диацилглицерол. Они активируют соответствующие ферменты-протеинкиназы: А-киназы (цАМФ-зависимые), G-киназы (цГМФ-зависимые), В-киназы (кальций-кальмодулин-зависимые) или С-киназы (кальций-фосфолипид-зависимые). В свою очередь, активированные киназы фосфорилируют ИК мембраны изнутри клетки, т.е. присоединяют к ним фосфаты. В результате этого канал может перейди надолго в новое состояние (открытое или, наоборот, закрытое). После срезания фосфатов ферментом фосфатазой канал возвращается к своему прежнему состоянию. В некоторых случаях такой вторичный мессенджер, как G-белок в виде своей активной субъединицы бета-гамма может сам присоединиться к ионному каналу и поменять его состояние. Так, например, могут открываться (активироваться) калиевые каналы при раздражении ацетилхолином мускариновых рецепторов, связанных с G-белком.

Примеры: Са 2+ -активируемые хлорные каналы, кальций-активируемые калиевые каналы, цГМФ-активируемые натриевые каналы палочек сетчатки глаза .

Вот, например, опосредованные ион-управляемые кальций-активируемые хлорные каналы являются одним из основных компонентов системы эпителиальной секреции, сенсорной трансдукции , регулирования нейронной и сердечной возбудимости у животных. В клетках растений кальций-активируемые хлорные каналы ответственны за состояние тургора клетки. При повышении концентрации ионов кальция внутри клетки эти каналы открываются и начинают пропускать ионы хлора.

К опосредованно-управляемым (мессенджер-управляемым) ионным каналам формально можно отнести также все каналы, которые управляются "изнутри" с помощью посредников - вторичных мессенджеров. Такой способ управления чаще всего является дополнительным по отношению к "внешнему управлению", и получается, что к мессенджер-управляемым каналам относится большинство каналов из других групп нашей функциональной классификации. Например, все те ИК, которые могут подвергаться фосфорилированию.

7. Актин-управляемые (актин-регулируемые, actin-regulated, actin-gated channels). Они открываются и закрываются за счёт разборки-сборки примембранных микрофиламентов с участием актин-связывающих белков.

В электроневозбудимых клетках активация и инактивация актин-управляемых потенциал-независимых натриевых каналов контролируется процессами разборки-сборки примембранных микрофиламентов с участием актин-связывающих белков. Актиновые элементы цитоскелета, по-видимому, представляют важнейшую часть потенциал-независимого воротного механизма, управляющего открыванием и закрыванием каналов. Именно сборка микрофиламентов на цитоплазматической стороне мембраны приводит к инактивации таких каналов.

8. Коннексоны (двойные поры). Образуют в мембранах контактирующих клеток сквозные непрерывные каналы через две мембраны сразу в зоне щелевых контактов для взаимного обмена веществами между этими клетками. Через коннексоны передаются электрические сигналы, аминокислоты и небольшие молекулы управляющих веществ: цАМФ, InsP 3 , аденозин, АДФ и АТФ. Они состоят из 6 белковых субъединиц (коннексинов), живущих всего несколько часов. Коннексины - это политопные интегральные мембранные белки 4 раза прошивающие мембрану, имеющие две внеклеточные петли (EL-1 и EL-2), цитоплазматическую петлю (CL) с N-концом (AT) и C-концом (CT), вдающимися в цитоплазму. Через коннексоны соединяется внутренняя среда соседствующих клеток.

Коннексоны являются "неспецифически-управляемыми" каналами. Их состояние регулируется pH, электрическим потенциалом, ионами Са 2+ , фосфорилированием и другими факторами.

Коннексоны найдены практически во всех видах клеток.

9. «Энерго-зависимые транспортёры» (ионные насосы, ионные помпы, ионные обменники, транспортёры). Это особая группа динамичных пор, проводящих ионы через мембрану, которые формально не относятся к ИК. Их деятельность обеспечивается энергией расщепления АТФ. Они представлены мембранными ферментными белками АТФазами, которые активно протаскивают через себя ионы, используя для этого энергию расщепления АТФ, и обеспечивают активный транспорт ионов через мембрану даже против их градиента концентрации.

Примеры: натрий-калиевый насос, протонный насос, кальциевый насос .

Примеры ионных каналов разного типа

Ацетилхолиновый рецептор лиганд-управляемого (хемозависимого) ионного канала

На рисунке слева представлена структурная модель лиганд-управляемого ацетилхолинового ИК.

12. Ионные каналы…

Ионный канал состоит из нескольких субъединиц, их ко­личество в отдельном ионном канале составляет от 3 до 12 субъединиц. По своей организации субъединицы, входящие в канал, могут быть гомологичными (однотипными), ряд кана­лов сформирован разнотипными субъединицами.

Каждая из субъединиц состоит из нескольких (три и бо­лее) трансмембранных сегментов (неполярные части, закру­ченные в α-спирали), из вне- и внутриклеточных петель и концевых участков доменов (представлены полярными облас­тями молекул, формирующих домен и выступающих за преде­лы билипидного слоя мембраны).

Каждый из трансмембранных сегментов, вне- и внутрик­леточных петель и концевых участков доменов выполняет свою функцию.

Так, трансмембранный сегмент 2, организованный в виде α-спирали, определяет селективность канала.

Концевые участки домена выступают в качестве сенсоров к вне- и внутриклеточным лигандам, а один из трансмембран­ных сегментов играет роль потенциалзависимого сенсора.

Третьи трансмембранные сегменты в субъединице от­ветственны за работу воротной системы каналов и т.д.

Ионные каналы работают по механизму облегченной диффузии. Движение по ним ионов при активации каналов идет по градиенту концентрации. Скорость перемещения через мембрану составляет 10 ионов в секунду.

Специфичность ионных каналов.

Большая часть из них относятся к селективным, т.е. кана­лам, пропускающим только один вид ионов (натриевые кана­лы, калиевые каналы, кальциевые каналы, анионные каналы).

Селективность канала.

Селективность канала определяется наличием избира­тельного фильтра.

Его роль выполняет начальный участок канала, который имеет определенный заряд, конфигурацию и размер (диа­метр), что позволяет пройти в канал только определенному виду ионов.

Некоторые из ионных каналов неселективные, например, каналы "утечки". Это такие каналы мембраны, по которым в состоянии покоя по градиенту концентрации из клетки выхо­дят ионы К + , однако по этим каналам в клетку в состоянии по­коя по градиенту концентрации входит и небольшое количество ионовNa + .

Сенсор ионного канала.

Сенсор ионного канала - чувствительная часть канала, ко­торая воспринимает сигналы, природа которых может быть различна.

На этой основе выделяют:

потенциалзависимые ионные каналы;

рецепторуправляемые ионные каналы;

лигандуправляемые (лигандзависимые);

механоуправляемые (механозависимые).

Каналы, имеющие сенсор, называются управляемыми. У некоторых каналов сенсор отсутствует. Такие каналы называ­ют неуправляемыми.

Воротная система ионного канала.

У канала есть ворота, которые закрыты в состоянии покоя и открываются при воздействии сигнала. У некоторых каналов выделяют два вида ворот: активационные (m-ворота) и инактивационные (h-ворота).

Выделяют три состояния ионных каналов:

состояние покоя, когда ворота закрыты и канал недо­ступен для ионов;

состояние активации, когда воротная система открыта и ионы перемещается через мембрану по каналу;

состояние инактивации, когда канал закрыт и не отве­чает на стимулы.

Скорость проведения (проводимость).

Бывают быстрые и медленные каналы. Каналы “ утечки ” - медленные, натриевые каналы в нейронах - быстрые.

В мембране любой клетки имеется большой набор разно­образных (по скорости) ионных каналов, от активации кото­рых зависит функциональное состояние клеток.

Потенциалуправляемые каналы.

Потенциалуправляемый канал состоит из:

поры, заполненной водой;

• селективного фильтра;

  активационных и инактивационных ворот;

  сенсора напряжения.

Диаметр канала значительно больше диаметра иона, в зоне селективного фильтра он сужается до атомарных размеров, это и обеспечивает выполнение данным участком канала функции селективного фильтра.

Открытие и закрытие воротного механизма возникает при изменении мембранного потенциала, причем открываются во­рота при одном значении мембранного потенциала, а закрыва­ются при другом уровне потенциала мембраны.

Считается, что изменение электрического поля мембраны воспринимается специальным участком стенки канала, кото­рый получил название сенсор напряжения.

Изменение его состояния, обусловленное изменением уровня мембранного потенциала, вызывает конформацию бел­ковых молекул, формирующих канал, и, как следствие, ведет к открытию или закрытию ворот ионного канала.

Каналы (натриевые, кальциевые, калиевые) имеет четыре гомологичных домена - субъединицы (I,II,III,IV). Домен (на примере натриевых каналов) состоит из шести трансмембран­ных сегментов, организованных в виде а-спиралей, каждый из которых играет свою роль.

Так, трансмембранный сегмент 5 играет роль поры, транс­мембранный сегмент 4 сенсора, реагирующего на изменение потенциала мембраны, другие трансмембранные сегменты от­ветственны за активацию и инактивацию воротной системы канала. До конца роль отдельных трансмембранных сегментов и субъединиц не изучена.

Натриевые каналы (внутренний диаметр 0,55 нм) имеют­ся в клетках возбудимых тканей. Плотность на 1 мкм 2 в раз­личных тканях не одинакова.

Так, в немиелиновых нервных волокнах она составляет 50-200 каналов, а в миелиновых нервных волокнах (перехваты Ранвье) - 13000 на 1 мкм 2 площади мембраны. В состоянии по­коя они закрыты. Мембранный потенциал составляет 70-80 мВ.

Воздействие раздражителя изменяет мембранный потен­циал и активирует потенциалзависимый натриевый канал.

Он активируется при смещении потенциала мембраны от уровня потенциала покоя в направлении критического уровня деполяризации.

Сильный натриевый ток обеспечивает смещение потенци­ала мембраны до критического уровня деполяризации (КУД).

Изменение мембранного потенциала до -50-40 мВ, т.е. до уровня критического уровня деполяризации, вызывает откры­тие других потенциалзависимых № + -каналов, через которые осуществляется входящий натриевый ток, формирующий "пик" потенциала действия.

Ионы натрия по градиенту концентрации и химическому градиенту по каналу перемещаются в клетку, формируя так называемый входящий натриевый ток, что приводит к даль­нейшему быстрому развитию процесса деполяризации.

Мембранный потенциал изменяет знак на противополож­ный +10-20 мв. Положительный мембранный потенциал вы­зывает закрытие натриевых каналов, их инактивацию.

Потенциалзависимые № + -каналы играют ведущую роль в формировании потенциала действия, т.е. процесса возбужде­ния в клетке.

Ионы кальция затрудняют открытие потенциалзависимых натриевых каналов, изменяя параметры реагирования.

К + -каналы

Калиевые каналы (внутренний диаметр 0,30 нм) имеются в цитоплазматических мембранах, обнаружено значительное количество каналов "утечки" калия из клетки.

В состоянии покоя они открыты. Через них в состоянии покоя происходит "утечка" калия из клетки по градиенту кон­центрации и электрохимическому градиенту.

Этот процесс обозначается как выходящий калиевый ток, который приводит к формированию потенциала покоя мемб­раны (-70-80 мВ). Эти калиевые каналы можно лишь условно отнести к потенциалзависимым.

При изменении мембранного потенциала в процессе депо­ляризации происходит инактивация калиевого тока.

При реполяризации через потенциалзависимые каналы формируется входящий К + ток, который получил название К + ток задержанного выпрямления.

Еще один тип потенциалзависимых К + -каналов. По ним возникает быстрый выходящий калиевый ток в подпороговой области мембранного потенциала (положительный следовой потенциал). Инактивация канала происходит за счет следовой гиперполяризации.

Другой тип потенциалзависимых калиевых каналов акти­вируется только после предварительной гиперполяризации, он формирует быстрый транзиторный калиевый ток, который быстро инактивируется.

Ионы кальция облегчают открытие потенциалзависимых калиевых каналов, изменяя параметры реагирования.

Са + -каналы.

Потенциалуправляемые каналы вносят существенный вклад как в регуляцию входа кальция в цитоплазму, так и в электрогенез.

Белки, образующие кальциевые каналы, состоят из пяти субъединиц (al,a2,b,g,d).

Главная субъединица alформирует собственно канал и содержит места связывания для различных модуляторов каль­циевых каналов.

Было обнаружено несколько структурно различных alсубъединиц кальциевых каналов в нервных клетках млекопи­тающих (обозначенных как А, В, С,Dи Е).

Функционально кальциевые каналы различных типов от­личаются друг от друга активацией, кинетикой, проводимос­тью одиночного канала и фармакологией.

В клетках описано до шести типов потенциалуправляемых кальциевых каналов (Т - ,L - ,N - ,P - ,Q - ,R - каналы).

Активность потенциалуправляемых каналов плазмалеммы регулируется различными внутриклеточными вторич­ными посредниками и мембранно-связанными G-белками.

Кальциевые потенциалзависимые каналы обнаружены в большом количестве в цитоплазматических мембранах нейро­нов, миоцитах гладких, поперечно-полосатых и сердечных мышц и в мембранах эндоплазматического ретикулума.

Са 2+ -каналы СПР являются олигомерными протеинами, встроенными в мембрану СПР.

Са 2+ -управляемые Са 2+ -каналы СПР.

Эти кальциевые каналы были впервые выделены из ске­летных и сердечных мышц.

Оказалось, что Са 2+ -каналы СПР в этих мышечных тканях имеют молекулярные различия и кодируются различными ге­нами.

Са 2+ -каналы СПР в сердечных мышцах непосредственно связаны с высокопороговыми Са 2+ -каналами плазмалеммы (L-тип) через кальцийсвязывающие белки, образуя, таким обра­зом, функционально активную структуру - "триаду".

В скелетных мышцах деполяризация плазмалеммы прямо активирует освобождение Са 2+ из эндоплазматического ретикулума благодаря тому, что Са 2+ -каналы плазмалеммы служат потенциалчувствительными передатчиками активирующего сигнала непосредственно Са 2+ -каналам СПР через связываю­щие белки.

Таким образом, Са 2+ -депо скелетных мышц обладают ме­ханизмом освобождения Са 2+ , вызываемым деполяризацией (RyRl-тип).

В отличие от скелетных мышц, эндоплазматические Са 2+ -каналы кардиомиоцитов не связаны с плазмалеммой, и для стимуляции освобождения Са 2+ из депо требуется увели­чение концентрации цитозольного кальция (RyR2-тип).

Кроме этих двух типов Са 2+ -активируемых Са 2ч -каналов, недавно был идентифицирован третий тип Са 2+ -каналов СПР (RyR3-тип), который еще изучен не достаточно.

Для всех кальциевых каналов характерна медленная акти­вация и медленная инактивация по сравнению с натриевыми каналами.

При деполяризации мышечной клетки (выпячивания цитоплазматических мембран - Т-трубочки подходят к мембра­нам эндоплазматического ретикулума) происходит потенциалзависимое открытие кальциевых каналов мембран саркоплазматического ретикулума.

Так как, с одной стороны, концентрация кальция в СПР велика (депо кальция), а концентрация кальция в цитоплазме низка, а с другой - площадь мембраны СПР и плотность каль­циевых каналов в ней велики, то уровень кальция в цитоплаз­ме увеличивается в 100 раз.

Такое увеличение концентрации кальция инициирует процесс сокращения миофибрилл.

Кальциевые каналы в кардиомиоцитах находятся в цитоплазматической мембране и относятся к кальциевым каналам L-типа.

Активируются при потенциале мембраны +20-40 мВ, фор­мируют входящий кальциевый ток. Длительно находятся в ак­тивированном состоянии, формируют "плато" потенциала действия кардиомиоцита.

Анионные каналы.

Наибольшее количество в мембране клетки каналов для хлора. В клетке меньше ионов хлора по сравнению с межкле­точным окружением. Поэтому при открытии каналов хлор входит в клетку по градиенту концентрации и электрохими­ческому градиенту.

Количество каналов для НСО 3 не столь велико, объем транспорта этого аниона через каналы существенно меньше.

Ионные обменники.

В мембране имеются ионные обменники (белки-перенос­чики), которые осуществляют облегченную диффузию ионов, т.е. ускоренное сопряженное перемещение ионов через биомембрану по градиенту концентрации, такие процессы явля­ются АТФ-независимыми.

Наиболее известны Na + -H + ,K + -H + ,Ca 2+ -H + обменники, а также обменники, обеспечивающие обмен катионов на ани­оныNa + -HCO- 3 , 2CI-Са 2+ и обменники, обеспечивающие обмен катиона на катион (Na + -Са 2+) или аниона на анион (Сl- НСOз).

Рецепторуправляемые ионные каналы.

Лигандуправляемые (лигандзависимые) ионные каналы.

Лигандуправляемые ионные каналы являются подвидом рецепторуправляемых каналов и всегда совмещены с рецепто­ром к биологически активному веществу (БАВ).

Рецепторы рассматриваемых каналов относятся к ионотропному типу мембранных рецепторов, при взаимодействии которых с БАВ (лиганды) возникают быстропротекающие ре­акции.

Лигандуправляемый ионный канал состоит из:

поры, заполненной водой;

селективного фильтра;

активационных ворот;

центра связывания лиганда (рецептор). Высокоэнергетически активное БАВ обладает высоким

сродством (аффинитетом) к определенному виду рецепторов. При активации ионных каналов происходит перемещение оп­ределенных ионов по градиенту концентрации и электрохими­ческому градиенту.

В рецепторе мембраны центр связывания лиганда может быть доступен для лиганда с наружной поверхности мембраны.

В этом случае в качестве лиганда выступают гормоны и парагормоны, ионы.

Так, при активации N-холинорецепторов активируются натриевые каналы.

Кальциевую проницаемость инициируют нейрональные ацетилхолинуправляемые, глютаматуправляемые (NMDAи АМРА / каинаттипы) рецепторы и пурино-рецепторы.

ГАМК А -рецепторы сопряжены с ионными хлорными каналами, с хлорными каналами сопряжены и глицино­вые рецепторы.

В рецепторе мембраны центр связывания лиганда может быть доступен для лигандов с внутренней поверхности мембраны.

В этом случае в качестве лиганда выступают протеинкиназы, активированные вторыми посредниками, или сами вторые посредники.

Так, протеинкиназы А, С, G, фосфорилируя белки катионных каналов, изменяют их проницаемость.

Механоуправляемые ионные каналы.

Механоуправляемые ионные каналы изменяют свою про­водимость для ионов либо за счет изменения натяжения билипидного слоя, либо через цитоскелет клетки. Множество механоуправляемых каналов сопряжено с механорецепторами, они существуют в слуховых клетках, мышечных верете­нах, сосудистом эндотелии.

Все механоуправляемые каналы делятся на две группы:

активирующиеся при растяжении клеток (SAC);

инактивирующиеся при растяжении клеток (SIC).

У механоуправляемых каналов имеются все основные ка­нальные признаки:

пора, заполненная водой;

воротный механизм;

сенсор, реагирующий на растяжение.

При активации канала по нему происходит перемещение ионов по градиенту концентрации.

Натрий, калиевая АТФаза.

Натрий, калиевая АТФаза (натрий-калиевый насос, на­трий-калиевая помпа).

Состоит из четырех трансмембранных доменов: из двух α-субъединиц и двух β-субъединиц. α-субъединица является большим доменом, а β-субъединица - малым. В ходе транс­порта ионов фосфорилируются большие субъединицы и через них перемещаются ионы.

Натрий, калиевая АТФаза играет важнейшую роль в под­держании гомеостаза натрия и калия во внутри- и внеклеточ­ной среде:

поддерживает высокий уровень К + и низкий уровеньNa + в клетке;

участвует в формировании мембранного потенциала покоя, в генерации потенциала действия;

обеспечивает Na + сопряженный транспорт большинства органических веществ через мембрану (вторично-активный транспорт);

существенно влияет на гомеостаз Н 2 О.

Натрий, каливая АТФаза вносит наиболее важный вклад в формирование ионной асимметрии во вне- и внутриклеточных пространствах.

Поэтапная работа натрий, калиевого насоса обеспечивает неэквивалентный обмен калия и натрия через мембрану.

Са + -АТФаза (насос).

Существуют два семейства Са 2+ -насосов, ответственных за устранение ионов Са 2+ из цитоплазмы: Са 2+ -насосы плазмалеммы и Са 2+ -насосы эндоплазматического ретикулума.

Хотя они относятся к одному семейству белков (так назы­ваемому Р-классу АТФаз), эти насосы обнаруживают некото­рые различия в строении, функциональной активности и фармакологии.

Находится в большом количестве в цитоплазматической мембраны. В цитоплазме клетки в покое концентрация каль­ция составляет 10-7 моль/л, а вне клетки значительно больше -10-3 моль/л.

Такая значительная разница концентраций поддерживает­ся за счет работы цитоплазматической Са ++ -АТФазы.

Активность Са 2+ -насоса плазмалеммы контролируется не­посредственно Са 2+ : увеличение концентрации свободного кальция в цитозоле активирует Са 2+ -насос.

В покое диффузия через кальциевые ионные каналы поч­ти не происходит.

Са-АТФаза транспортирует Са из клетки во внеклеточную среду против его концентрационного градиента. По градиенту Са + поступает в клетку благодаря диффузии через ионные каналы.

В мембране эндоплазматического ретикулума также со­держится большое количество Са ++ -АТФазы.

Кальциевый насос эндоплазматического ретикулума (SERCA) обеспечивает удаление кальция из цитозоля в эндоплазматический ретикулум - "депо" кальция за счет первично активного транспорта.

В депо кальций связывается с кальцийсвязывающими белками (кальсеквестрином, кальретикулином и др.).

В настоящее время описано по крайней мере три различ­ных изоформы SERCA-насосов.

SERCA1-подтип сосредоточен исключительно в быстрых скелетных мышцах,SERCA2-насосы широко распространены в других тканях. ЗначимостьSERCA3 -насосов менее ясна.

Белки SERCA2-нacocoв разделяются на две различные изоформы:SERCA2a, характерные для кардиомиоцитов и гладких мышц, иSERCA2b, характерные для тканей мозга.

Увеличение Са 2+ в цитозоле активирует захват ионов кальция в эндоплазматический ретикулум, в то время как уве­личение свободного кальция внутри эндоплазматического ретикулума ингибирует насосыSERCA.

Н+ К+ -АТФаза (насос).

При помощи этого насоса (в результате гидролиза одной молекулы АТФ) в обкладочных (париетальных) клетках слизистой желудка происходит транспорт двух ионов калия из внеклеточного пространства в клетку и двух ионов Н+ из цитозоля во внеклеточное пространство при гидролизе одной молекулы. Этот механизм лежит в основе образования соляной кислоты в желудке.

Ионный насос класс F .

Митохондриальная АТФаза. Катализирует конечный этап синтеза АТФ. Крипты митохондрий содержат АТФ-синтазу, сопрягающую окисление в цикле Кребса и фосфорилирование АДФ до АТФ.

Ионный насос класса V .

Лизосомальные Н + -АТФазы (лизосомальные протонные насосы) - протонные насосы, обеспечивающие транспорт Н + из цитозоля в ряд органелл-лизосомы, аппарат Гольджи, сек­реторные везикулы. В результате понижается значение рН, на­пример, в лизосомах до 5,0 что оптимизирует деятельность этих структур.

Особенности ионного транспорта

1. Значительный и асимметричный трансмембранный! градиент для Na + и К + в покое.

Натрия вне клетки (145 ммоль/л) в 10 раз больше, чем в клетке (14 ммоль/л).

Калия в клетке (140 ммоль/л) примерно в 30 раз больше, чем вне клетки (4 ммоль/л).

Эта особенность распределения ионов натрия и калия:

гомеостатируется работой Na + /K + -нacoca;

формирует в покое выходящий калиевый ток (канал утечки);

формирует потенциал покоя;

работа любых калиевых каналов (потенциалзависимых, кальцийзависимых, лигандзависимых) направлена на формирование выходящего калиевого тока.

Это либо возвращает состояние мембраны к исходному уровню (активация потенциалзависимых каналов в фазу реполяризации), либо гиперполяризует мембрану (кальцийзависимые, лигандзависимые каналы, в том числе и активируемые системами вторых посредников).

Следует иметь в виду, что:

перемещение калия через мембрану осуществляется путем пассивного транспорта;

формирование возбуждения (потенциала действия) всегда обусловлено входящим натриевым током;

активация любых натриевых каналов всегда вызывает входящий натриевый ток;

перемещение натрия через мембрану осуществляется почти всегда путем пассивного транспорта;

в эпителиальных клетках, образующих в тканях стенку разных трубок, полостей (тонкий кишечник, канальца нефрона и др.), во внешней мембране всегда имеется большое количество натриевых каналов, обеспечиваю­щих при активации входящий натриевый ток, а в базальной мембране - большое число натрий, калиевых насосов, выкачивающих натрий из клетки. Такое асим­метричное распределение этих транспортных систем для натрия обеспечивает его трансклеточный перенос, т.е. из просвета кишечника, почечных канальцев во внутреннюю среду организма;

пассивный транспорт натрия в клетку по электрохими­ческому градиенту ведет к накоплению энергии, кото­рая используется для вторично активного транспорта многих веществ.

2. Низкий уровень кальция в цитозоле клетки.

В клетке в покое содержание кальция (50 нмоль/л) в 5000 раз ниже, чем вне клетки (2,5 ммоль/л).

Такой низкий уровень кальция в цитозоле не случаен, так как кальций в концентрациях в 10-100 раз больше исходной выступает в качестве второго внутриклеточного посредника в реализации сигнала.

В таких условиях возможно быстрое увеличение кальция в цитозоле за счет активации кальциевых каналов (облегчен­ная диффузия), которые в большом количестве имеются в цитоплазматической мембране и в мембране эндоплазматического ретикулума (эндоплазматический ретикулум - "депо" кальция в клетке).

Формирование потоков кальция, происходящее за счет открытия каналов, обеспечивает физиологически значимое повышение концентрации кальция в цитозоле.

Низкий уровень кальция в цитозоле клетки поддержива­ется Са 2+ -АТФазой,Nа + /Са 2+ -обменниками, кальцийсвязывающими белками цитозоля.

Кроме быстрого связывания цитозольного Са 2+ внутрик­леточными Са 2+ -связывающими белками, ионы кальция, по­падающие в цитозоль, могут аккумулироваться аппаратом Гольджи или клеточным ядром, захватываться митохондриальными Са 2+ -депо.

3. Низкий уровень хлора в клетке.

В клетке в покое содержание хлора (8 ммоль/л) более чем в 10 раз ниже, чем вне клетки (110 ммоль/л).

Такое состояние поддерживается работой К + /Сl- -транспортер.

Изменение функционального состояния клетки связано (или обусловлено) с изменением проницаемости мембраны для хлора. При активации протенциал- и лигандуправляемых хлорных каналов ион через канал путем пассивного транспор­та входит в цитозоль.

Кроме того, вход хлора в цитозоль формируется за счет № + /К + /2СГ-котранспортера и СГ-НСО 3 -обменник.

Вход хлора в клетку увеличивает полярность мембраны вплоть до гиперполяризации.

Особенности ионного транспорта играют основополагаю­щую роль в формировании биоэлектрических явлений в орга­нах и тканях, которые кодируют информацию, определяют функциональное состояние этих структур, их переход из одно­го функционального состояния в другое.

Сквозь мембрану. Такие комплексы представляют собой набор идентичных или гомологичных белков, плотно упакованных в липидном бислое мембраны вокруг водной поры. Каналы расположены в плазмалемме и некоторых внутренних мембранах клетки.

Через ионные каналы проходят ионы Na + (натрия), K + (калия), Cl − (хлора) и Ca 2 + (кальция). Из-за открывания и закрывания ионных каналов меняется концентрация ионов по разные стороны мембраны и происходит сдвиг мембранного потенциала.

Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются молекулярные системы открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. Ионные каналы могут иметь несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами.

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

Калий-натриевый насос.flv

2016_03_12 Роль ионных каналов и ионных насосов в регуляции мышечного сокращения - Рубцов А.М.

ЛЕКЦИЯ НОБЕЛЕВСКОГО ЛАУРЕАТА ПО ФИЗИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ ЭРВИНА НЕЕРА В КАЗНМУ

Субтитры

Типы ионных каналов

Классификация ионных каналов проводится по различным параметрам и поэтому единой унифицированной классификации для них пока не существует.

Так, возможна классификация по структуре (строению) и происхождению от однотипных генов .

По этому принципу, например, выделяют три семейства лиганд-активируемых ионных каналов :

1. с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые);
2. с никотиновыми АХ-рецепторами , ГАМК -, глицин - и серотонин -рецепторами ;
3. с глутаматными рецепторами .

При этом в одно и то же семейство попадают ионные каналы с разной ионной селективностью, а также с рецепторами к разным лигандам . Но зато образующие эти каналы белки имеют большое сходство в строении и происхождении.

Ионные каналы также можно классифицировать по селективности в зависимости от проходящих через них ионов : натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные , протонные (водородные).

Согласно функциональной классификации , ионные каналы группируются по способам управления их состоянием на следующие виды:

1. Неуправляемые (независимые).
2. Потенциал -управляемые (потенциал-чувствительные, потенциал-зависимые, voltage-gated).
3. Лиганд-управляемые (хемо-управляемые, хемочувствительные, хемозависимые, лиганд-зависимые, рецептор -активируемые).
4. Опосредованно-управляемые (вторично-управляемые, ион-активируемые, ион-зависимые, мессенджер -управляемые, управляемые метаботропными рецепторами).
5. Совместно-управляемые (NMDA-рецепторно-канальный комплекс). Они открываются одновременно как лигандами, так и определённым электрическим потенциалом мембраны . Можно сказать, что у них двойное управление. Пример: NMDA-рецепторно-канальный комплекс, имеющий сложную систему управления, включающую в себя 8 рецепторных участков-сайтов, с которыми могут связываться различные лиганды.
6. Стимул -управляемые (механочувствительные, механосенситивные, активируемые растяжением (stretch) липидного бислоя, протон -активируемые, температурно-чувствительные).
7. Актин -управляемые (актин-регулируемые, actin-regulated, actin-gated channels).
8. Коннексоны (двойные поры).

Наиболее часто встречаются два типа каналов: ионные каналы с лиганд-зависимыми воротами (находятся, в частности, в постсинаптической мембране нервно-мышечных соединений) и ионные каналы с потенциал-зависимыми воротами. Лиганд-зависимые каналы превращают химические сигналы, приходящие к клетке, в электрические; они необходимы, в частности, для работы химических синапсов . Потенциал-зависимые каналы нужны для распространения потенциала действия .

Работа ионных каналов

Неуправляемые (независимые) ионные каналы

Эти каналы обычно находятся в открытом состоянии и постоянно пропускают через себя ионы за счёт диффузии по градиенту их концентрации и/или по электрическому градиенту зарядов по обе стороны мембраны. Некоторые неуправляемые каналы различают вещества и пропускают через себя по градиенту концентрации все молекулы меньше определённой величины, их называют «неселективные каналы» или «поры». Существуют также «селективные каналы», которые благодаря своему диаметру и строению внутренней поверхности переносят только определённые ионы. Примеры: калиевые каналы , участвующие в формировании мембранного потенциала покоя, хлоридные каналы , эпителиальные натриевые каналы , анионные каналы эритроцитов.

Потенциал-зависимые ионные каналы

Эти каналы отвечают за распространение потенциала действия, они открываются и закрываются в ответ на изменение мембранного потенциала . Например, натриевые каналы. Если мембранный потенциал поддерживается на уровне потенциала покоя , натриевые каналы закрыты и натриевый ток отсутствует. Если мембранный потенциал сдвигается в положительную сторону, то натриевые каналы откроются, и в клетку начнут входить ионы натрия по градиенту концентрации . Через 0,5 мс после установления нового значения мембранного потенциала, этот натриевый ток достигнет максимума. А еще через несколько миллисекунд падает почти до 12. Во время покоя мембранного потенциала , внутриклеточная концентрация ионов натрия 12 ммоль/литр, а внеклеточная концентрация 145 ммоль/литр. Это значит, что каналы через некоторое время закрываются вследствие инактивации, даже если клеточная мембрана остается деполяризованной. Но закрывшись, они отличаются от состояния, в котором находились до открытия, теперь они не могут открываться в ответ на деполяризацию мембраны, то есть они инактивированны. В таком состоянии они останутся до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному значению и не пройдет восстановительный период, занимающий несколько миллисекунд.

Лиганд-зависимые ионные каналы

Эти каналы открываются, когда

Селективность - это избирательно повышенная проницаемость ионного канала для определённых ионов и пониженная для других. Такая избирательность определяется селективным фильтром - самым узким местом канальной поры. Фильтр, кроме узких размеров, может иметь также локальный электрический заряд.

Управляемая проницаемость - это способность открываться или закрываться при определённых управляющих воздействиях на канал.

Инактивация - это способность ионного канала через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать.

Блокировка - это способность ионного канала под действием веществ-блокаторов фиксировать какое-то одно своё состояние и не реагировать на обычные управляющие воздействия. Блокировку вызывают вещества-блокаторы, которые могут называться антагонистами, блокаторами или литиками.

Родерика Маккинона (Roderick MacKinnon) . Работа содержит проволочный каркас, удерживающий выдутый из желтого стекла объект, который репрезентирует основную полость канальной структуры.

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и механизму их действия. Известно более 50 видов каналов, каждая нервная клетка имеет более 5 видов каналов. Состояние активации управляемого ионного канала обычно длится около 1 мс, иногда до 3 мс и значительно больше, при этом через один канал может пройти 12--20 млн ионов.

Классификация ионных каналов проводится по нескольким признакам.

По возможности управления их функцией различают управляемые и неуправляемые каналы (каналы утечки ионов). Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы через них могут проходить только при открытых воротах.

По скорости движения ионов каналы могут быть быстрыми и медленными. Например, потенциал действия в скелетной мышце возникает в следствие активации быстрых Nа- и К-каналов. В развитии потенциала действия сердечной мышцы наряду с быстрыми каналами для Nа+ и К+ важную роль играют медленные каналы -- кальциевые, калиевые и натриевые.

В зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего, управляемые ионные каналы различают несколько их видов:

• а)потенциалчувствительные,
• б)хемочувствительные,
• в)механочувствительные,
• г)кальцийчувствительные,
• д) каналы, чувствительные ко вторым посредникам.

Последние расположены во внутриклеточных мембранах, они изучены недостаточно, так же как и кальцийчувствительные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами, расположенными на поверхности клеточной мембраны, может происходить открытие ворот хемочувствительных каналов, поэтому их называют также рецепторуправляемыми каналами. Л и г а н д -- это биологически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие хемочувствительных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд. Механочувствительные каналы активируются и инактивируются сдавливанием и растяжением. Кальцийчувствительные каналы активируются, как видно из названия, кальцием, причем Са2+ может активировать как собственные каналы, например Са-каналы саркоплазматического ретикулума, так и каналы других ионов, например каналы ионов К+. Мембраны возбудимых клеток (гладких и поперечнополосатых мышц, в том числе и сердечной мышцы, нервной системы) содержат потенциале-, хемо-, механо- и кальцийчувствительные каналы. Следует заметить, что кальций-чувствительные каналы -- это один из примеров хемочувствительных каналов.

В зависимости от селективности различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. Имеются Nа-, К-, Са-, С1- и Nа/Са-селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов, например Nа+, К+ и Са2+ в клетках миокарда, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциал чувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов. Например, при действии ацетилхолина на Н-холинорецептор постсинаптической мембраны в нервно-мышечном синапсе активируются ионные каналы, через которые проходят одновременно ионы Nа+, К+ и Са2+. Механочувствительные каналы являются вообще неселективными для одновалентных ионов и Са2+.

Один и тот же ион может иметь несколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие.

Каналы для К+:

• а) неуправляемые каналы покоя (каналы утечки) через которые К+ постоянно выходит из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потенциала(потенциала покоя);
• б) потенциалчувствительные управляемые К-каналы;
• в) К-каналы, активируемые Са2+;
• г) каналы, активируемые и другими ионами и веществами, например ацетилхолином, что обеспечивает гиперполяризацию миоцитов сердца.

Каналы для Nа+ -- управляемые быстрые и медленные и неуправляемые (каналы утечки ионов):

• а) потенциалчувствительные быстрые Na-каналы -- быстро активирующиеся при уменьшении мембранного потенциала, обеспечивают вход Nа+ в клетку во время ее возбуждения;
• б) рецепторуправляемые Nа-каналы, активируемые ацетилхолином в нервно-мышечном синапсе, глутаматом -- в синапсах нейронов ЦНС;
• в) медленные неуправляемые Nа-каналы--каналы утечки, через которые Nа+ постоянно диффундирует в клетку и пере носит с собой другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Nа-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие Nа+ в формировании мембранного потенциала.

Каналы для Са2+ весьма разнообразны и наиболее сложны: рецепторуправляемые и потенциалуправляемые, медленные и быстрые:

• а) медленные кальциевые потенциалчувствительные каналы (новое название: L-типа), медленно активирующиеся при деполяризации клеточной мембраны, обусловливают медленный вход Са2+ в клетку и медленный кальциевый потенциал, например, у кардиомиоцитов. Имеются в исчерченных и гладких мышцах, в нейронах ЦНС;
• б) быстрые кальциевые потенциалчувствительные каналы саркоплазматического ретикулума обеспечивают выход Са2+ в гиалоплазму и электромеханическое сопряжение.

Каналы для хлора имеются в скелетных и сердечных миоцитах, эритроцитах, в небольшом количестве в нейронах и сконцентрированы в синапсах. Потенциалуправляемые С1-каналы имеются в кардиомиоцитах, рецепторуправляемые в синапсах ЦНС и активируются тормозными медиаторами ГАМК и глицином.

Структура ионных каналов и их функционирование. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы -- и воротный механизм; каналы заполнены жидкостью, их размеры 0,3--0,8 нм. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти частицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). Через ионные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Диаметр иона Nа+, например, с гидратной оболочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболочки -- 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеивания» не в состоянии объяснить, например, почему К+ не проходит через открытые Nа-каналы в начале цикла возбуждения клетки, но тем не менее она дает удовлетворительное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (селективной) проницаемости клеточных мембран для разных частиц и ионов.

У каналов одного и того же вида возможно взаимовлияние друг на друга. Так, открытие одних электроуправляемых каналов способствует активации рядом расположенных электрочувствительных каналов, в то время как открытие одного хемо- или механочувствительного канала и прохождение через него ионов практически не влияют на состояние соседних таких же каналов. Частичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации механочувствительных каналов может привести к активации потенциалчувствительных каналов Nа+, К+ (или Cl-) и Са2+.

Ионные каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами, что широко используется с лечебной целью. Специфическим блокатором механочувствительных каналов является Gadolinium (Gd3+). Блокаторами различных потенциалчувствительных каналов являются разные препараты или химические вещества. Так, например, блокатором хемочувствительного (рецепторчувствительного) канала эффекторных клеток, активируемого ацетилхолином, является атропин. Потенциалзависимые Nа-каналы блокируются тетродотоксином (действует только снаружи клетки); кальциевые -- двухвалентными ионами, например ионами никеля, марганца, а также верапамилом, нифедипином. Число ионных каналов на клеточной мембране огромно. Так, на 1 мкм2 насчитывают примерно 50 Nа-каналов, в среднем они располагаются на расстоянии 140 нм друг от друга. Успешное изучение ионных каналов дает возможность глубже понять механизм действия фармакологических препаратов, а значит, более успешно применять их в клинической практике. Новокаин, например, как местный анестетик снимает болевые ощущения потому, что он, блокируя Nа-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волокнам.

Затраты энергии при транспорте веществ через мембрану. На процессы транспорта веществ в организме расходуется значительная часть энергии. Тем не менее транспорт веществ осуществляется весьма экономично, поскольку обычно транспорт одних частиц обеспечивает переход других, о чем свидетельствуют многие факты.

В процессе работы Nа/К-насоса энергия расходуется на перенос Na+ из клетки в окружающую ее среду, тогда как перенос К+ в клетку происходит без непосредственной затраты энергии в результате конформации белковой молекулы (Nа/К-АТФазы) после присоединения К+ к активному ее участку.

Создание концентрационного градиента ионов, являясь причиной возникновения мембранного потенциала, одновременно формирует осмотический градиент, который в свою очередь создает предпосылки направленного перемещения воды. Созданный электрический градиент принимает участие в переносе заряженных частиц, обеспечивает возникновение потенциала действия и распространение возбуждения.

Процесс перехода воды из одной области в другую, согласно закону осмоса, обеспечивает транспорт всех частиц, растворенных в ней и способных пройти через биологические фильтры (следование за растворителем). Энергия на переход воды непосредственно не затрачивается (вторичный транспорт), не затрачивается, естественно, энергия и на перенос частиц, растворенных в воде, которые следуют вместе с водой.

Натрийзависимый транспорт (транспорт неэлектролитов) требует затрат энергии на перенос Nа+ из клетки, но при этом часто диффузия Nа+ в клетку обеспечивает перемещение мембранных переносчиков, соединенных с молекулами глюкозы, аминокислот. Следовательно, глюкоза, аминокислоты могут поступать в клетку вместе с Nа+ (симпорт). Обратный захват медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС также осуществляется с помощью подобного механизма. Натрийзависимый транспорт может также обеспечивать челночные движения молекул-переносчиков, которые в свою очередь транспортируют ионы Са2+, Н+ из клетки (противотранспорт, антипорт) согласно концентрационному градиенту переносчиков.

Глюкоза и аминокислоты переносятся с помощью облегченной диффузии вторично активно без непосредственной затраты энергии.

Диффузия газов в легких между воздухом и кровью, а также в тканях между кровью и интерстицием происходит вообще без затрат энергии, как и обмен ионов НСO3 и Сl- между эритроцитами и плазмой, когда кровь находится в различных тканях организма и легких. Диффузия веществ из кишечника, например глюкозы в кровь после приема с пищей, если ее концентрация в кишечнике больше, происходит согласно градиенту концентрации, на создание которого клетки организма энергию не затрачивают. Эти два случая (диффузия газов в легком, тканях и частиц -- в кишечнике) являются исключением, когда транспорт в организме осуществляется вообще без затраты энергии. Однако энергия расходуется на доставку этих веществ в организм -- дыхательные движения, приготовление пищи и обработка ее в пищеварительной системе.

Энергия, затрачиваемая сердцем на движение крови по сосудам, обеспечивает не только транспорт кровью всех веществ, в том числе и газов, но и образование фильтрата (движение всех частиц) в тканях организма и мочеобразование.

Таким образом, первичный транспорт нескольких ионов, главным из которых является Nа+, обеспечивает перенос подавляющего большинства веществ в организме.

Все виды транспорта играют жизненно важную роль в процессе жизнедеятельности клеток и организма в целом. В частности, транспорт ионов обеспечивает формирование мембранных потенциалов клеток мышечной и нервной тканей, одной из функций последней является регуляция различных систем организма.