А. Виды ионных каналов

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.

В медицинских новостях то и дело появляется информация о том, что учёные нашли очередной способ воздействия на ионные каналы — то они пытаются их активировать, то, наоборот, спешат блокировать. Например, совсем недавно были опубликовано сообщение об исследованиях профессора Тель-Авивского университета (Tel Aviv University) Майкла Гуревитца (Michael Gurevitz), который разрабатывает новое болеутоляющее на основе компонентов яда израильского жёлтого скорпиона — одного из самых опасных скорпионов в мире. Предполагается, что этот препарат будет воздействовать на натриевые каналы, которые отвечают за восприятие боли, и станет эффективным обезболевающим нового поколения. Об ионных каналах вспоминают, и когда речь заходит об онкологических заболеваниях , сердечно-сосудистых отклонениях и даже вредных пристрастиях. Так что же это за каналы и почему их работа так важна?

Клетка в дырку

Живая клетка — это не статичное образование, в ней постоянно происходит обмен веществ, ведь взаимодействие клеток друг с другом и внешней средой — необходимое условие для поддержания жизни организма. Обмен этот происходит через мембрану (оболочку) клеток, через которую при необходимости должны проникать многие элементы: ионы, аминокислоты, нуклеотиды.

Чтобы мембрана при необходимости могла быть проницаема для этих элементов, в ней есть специальные транспортные белки, которые образуют поры, своеобразные «дыры» в мембране. Эти поры представляют собой закупоренные молекулами воды каналы диаметром менее 1 нм, и эти мембранные каналы обладают относительной избирательностью по отношению к типу молекул, которые могут через них проходить. Есть, к примеру, кальциевые, натриевые, калиевые каналы — и они не пропускают другие ионы, кроме специфических. Такая избирательность канала обусловлена его зарядом и структурой.

Для проведения потока ионов через свою пору ионные каналы используют разность потенциалов. Так как возникающий при движении ионов ток можно измерить — причём даже для одиночного канала, за поведением мембранных ионных каналов легко наблюдать. Каналы спонтанно и часто открываются и закрываются. И эти переходы из одной формы в другую можно изучать методами рентгеновской дифракции , мёссбауэровской спектроскопии и ядерно-магнитного резонанса . Благодаря этим исследованиям стало ясно, что эти каналы — высокоорганизованные струтуры, не просто трубка с водой, а лабиринт быстро двигающихся электрически нейтральных и заряженных молекулярных групп.

Существуют десятки разновидностей ионных каналов. Самую большую группу составляют калиевые каналы, в которую входит около сорока видов. И каждая разновидность уникальна по своим структурным характеристикам и выполняемым функциям. Например, калиевые каналы большой проводимости (через них проходит бóльшее количество ионов калия, чем по другим каналам) состоят из круных фрагментов белка, субъединиц, свернутых в α-спираль. Их дополняют относительно короткие фрагменты, которые кроме первичной спиральной обладают также вторичной β-структурой. Они, в свою очередь, подразделяются на β-1, β-2, β-3 или β-4, каждая из которых придаёт каналу уникальные свойства. Например, β-4 делает канал устойчивым к блокатору ибериотоксину. Если же блокада канала осуществлена удачно, ток через канал проходить не будет.

Зачем вообще нужны эти высокоорганизованные «дыры» в клетках? Ионные каналы — это основа жизни. Они обеспечивают возбудимость нервной системы, передачу нервных импульсов с нерва на мышцу, секрецию гормонов. Активирование ионных каналов запускает каскады физиологических реакций, обусловливает наше мышление, работу сердечной мышцы и дыхательной диафрагмы, даже наши привязанности (например, к алкоголю) и те современные учёные склоны объяснять особенностями работы ионных каналов.

Блокирование этих важных каналов приводит к серьёзнейшим изменениям в организме. И нет ничего удивительного в том, что ионные каналы стали основной мишенью для разработки новых ядов и химического оружия. Так, один из мощнейших нервнопаралитических ядов, известных человечеству, тетродотоксин, блокирует натриевые каналы. Благодаря большим размерам молекулы тетродотоксин буквально закупоривает пору натриевого канала, так что прохождение ионов натрия через неё становится невозможным, и нервный импульс не передаётся от клетки к клетке. Мышцы замирают — ведь они подчиняются сигналам нервной системы. Токсины сходного действия, например конотоксин, находятся в арсенале змей и морских моллюсков и помогают им парализовать жертву.

Ионные каналы в медицине

В медицине сегодняшнего дня целый ряд заболеваний объясняют нарушением в работе ионных каналов. Хотя они имеют совершенно разные пути лечения, общность их причин позволило выделить их в отдельную группу. Они включают как приобретенные, так и наследственные недуги.

В 2003 году Нобелевская премия по химии была присуждена американскому учёному Родерику Маккиннону (Roderick McKinnon) за открытие структуры ионного канала. В 1998 году ему удалось кристаллографическими методами получить трёхмерную молекулярную структуру калиевого канала бактерии Streptomyces lividans. Изображение белка появилось на обложке журнала «Science», редакция которого посчитала открытие Маккиннона одним из десяти самых выдающихся научных достижений года. Этот белок состоит из 4 субъединиц, имеющих α-спиральное строение. Через полость в центре и переносится катион калия. Иллюстрация: BNL/DoE, Rockefeller University/Roderick MacKinnon

Например, с нарушением функции целой группы ионных каналов, включая натриевые и калиевые, связывают развитие синдрома хронической усталости . Из наследственных заболеваний, вызванных нарушением функционирования ионных каналов, можно упомянуть эпилепсию, которая вызвана сбоями в работе калиевых каналов большой проводимости. Под руководством профессора Ричарда Алдрича (Richard Aldrich) из Техасского университета в Сан-Антонио (University of Texas at San Antonio) удалось доказать, ставя опыты на трансгенных мышах , у которых был заблокирован ген KCNMB4, что при недостаточном количестве бета4 субъединиц калиевый канал неадекватно отвечает на нервное возбуждение, что приводит к конвульсиям.

С недостаточной функцией β-1 субъединицы канала связывают развитие гипертонии. Если по какой-то причине аминокислотный состав белка β-1 субъединицы не соответствует норме, то канал с такой субъединицей не в состоянии поддерживать расширение стенкок сосудов , из-за чего возникает напряжение артерий и развивается гипертония. Об этом свидетельствуют, например, исследования Ральфа Кёлера (Ralf Köhler) из Университета Южной Дании (Syddansk Universitet).

Ещё одно широко распространённое сердечно-сосудистое заболевание — синдром удлинённого QT связывают с мутациями в генах, кодирующих калиевые каналы сердечной мышцы, которое приводит к усилению активности калиевых каналов и меняет нормальный поток калия в сердечной мышце.

Нарушения функций кальциевых каналов приводят к атаксиям — состояниям, при которых невозможна координация движений.

Наконец, муковисцидоз (или фиброзно-кистозная дегенерация) — тяжелейшее заболевание дыхательной системы и желудочно-кишечного тракта наряду с другими причинами связывают с мутациями в CFTR гене, кодирующем хлорный канал.

Так что нормальное функционирование ионных каналов любого типа исключительно важно для здоровья человека.

Взять каналы на прицел!

Сегодня фармацевты активно работают над созданием препаратов, воздействующих на них. Пожалуй, одни из самых популярных из существующих подобных препаратов, — антиаритмические средства, которые нормализуют нарушенный ритм сердечных сокращений. К ним относятся так называемые «антагонисты кальция» (например, верапамил), которые препятствуют проникновению ионов кальция из межклеточного пространства в мышечные клетки сердца и сосудов через медленные кальциевые каналы L-типа. Снижая концентрацию ионов кальция в клетках сердечной мыщцы и стенках сосудов, антагонисты кальция расширяют коронарные и периферические артерии.

Активаторы калиевых каналов (икорандил, миноксидил, диазоксид, пинацидил) тоже вызывают расширение коронарных сосудов и сосудов в периферических органах. Воздействовать на калиевые каналы пытаются и для остановки инсультов, вызванных спазмом сосудов головного мозга.

Популярные в хирургической практике местные анестетики — лидокаин и новокаин блокируют ощущение боли путём закупорки натриевых каналов. Правда, побочный эффект этих препаратов состоит в том, что они приводят к потере не только болевой, но и тактильной чувствительности.

Однако удалось установить, что на помощь в такой ситуации могут прийти другие ионные каналы — так называемые TRP (Transient receptor potential). Это семейство каналов насчитывает множество видов, которые характеризуются слабой селективностью и пропускают большинство положительно заряженных ионов, включая натрий, кальций и магний.

Особая группа TRP каналов, которая расположена в нервных клетках, реагирующих на боль, чувствительна к присутствию активного компонента перца чили — капсаицину. Если активировать TRP каналы капсаицином, то последующее введение лидокаина будет избирательно блокировать только эти TRP каналы, то есть каналы, расположеные исключительно в болевых нейронах. Таким образом, можно будет избавиться от побочного действия обезболевающего.

Относительная простота тестирования работы ионных каналов и многообещающие результаты делают их привлекательной мишенью для фармацевтической индустрии. К тому же, многие ныне существующие препараты со временем теряют свою эффективность: организм привыкает к ним и реагирует не так, как задумывали создатели. Учёным приходится постоянно искать пути устранения различных сбоев, а ионные каналы — это, можно сказать, основа жизни. И сегодня манипуляции ими, с одной стороны, привлекают многомиллиардные инвестиции, а с другой — дают определённую надежду страдающим самыми разными недугами.

Новости партнёров

Согласно современным представлениям биологические мембраны образуют наружную оболочку всех живых клеток. Одним из главных структурных признаков является то, что мембраны всегда образуют замкнутые пространства. Этот факт помогает выполнять им важнейшие функции:

Барьерная (создание концентрационных градиентов, что препятствует свободной диффузии веществ). Это обеспечивает создание потенциала покоя, генерацию потенциала действия.

Регуляторная (тонкая регуляция внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции БАВ, что приводит к изменению активности ферментативных систем мембраны и запуску механизмов вторичных месенджеров (посредников).

Преобразование энергии раздражителя в электрические сигналы (в рецепторах).

Высвобождение нейромедиаторов в синоптических окончаниях.

Химический анализ показал, что мембраны в основном состоят из липидов и белков, количество которых варьирует у разных типов клеток. В настоящее время наиболее признана жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны.

Согласно этой модели, мембрана представлена бислоем фосфолипидных молекул. При этом гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя, а гидрофильные направлены в водную фазу, что способствует для образования раздела двух фаз: вне- и внутриклеточной. В фосфолипидном бислое интегрированы глобулярные белки, полярные участки которых образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Эти интегрированные белки выполняют различные функции:

рецепторную,

ферментативную,

образуют ионные каналы,

являются мембранными насосами,

переносят ионы и молекулы.

Общее представление о структуре и функциях ионных каналов.

Ионные каналы - особые образования в мембране клетки, представляющие собой олигомерные (состоящие из нескольких субъединиц) белки. Центральным образованием канала является молекула белка, которая пронизывает мембрану таким образом, что в ее гидрофильном центре формируется канал-пора, через которую в клетку способны проникать соединения, диаметр которых не превышает диаметра поры (обычно- это ионы).

Вокруг главной субъединицы канала располагается система из нескольких субъединиц, которые формируют участки для взаимодействия с мембранными регуляторными белками, различными медиаторами, а также фармакологически активными веществами.

Классификация ионных каналов по их функциям:

1) по количеству ионов, для которых канал проницаем, каналы делят на селективные (проницаемы только для одного вида ионов) и неселективные (проницаемы для нескольких видов ионов);

2) по характеру ионов, которые они пропускают на Na + , Ca ++ , Cl - , K + -каналы;

3) по способу регуляции делятся на потенциалзависимые и потенциалнезависимые. Потенциалзависимые каналы реагируют на изменение потенциала мембраны клетки, и при достижении потенциалом определенной величины, канал переходит в активное состояние, начиная пропускать ионы по их градиенту концентрации. Так, натриевые и быстрые кальциевые каналы являются потенциалзависимыми, их активация происходит при снижении мембранного потенциала до -50-60 мВ, при этом ток ионов Na + и Ca ++ в клетку вызывает падение потенциала покоя и генерацию ПД. Калиевые потенциалзависимые каналы активируются при развитии ПД и, обеспечивая ток ионов К + из клетки, вызывают реполяризацию мембраны.

Потенциалнезависимые каналы реагируют не на изменение мембранного потенциала, а на взаимодействие рецепторов, с которыми они взаимосвязаны, и их лигандов. Так, Cl - -каналы связаны с рецепторами g-аминомасляной кислоты и при взаимодействии этих рецепторов с ней они активируются и обеспечивают ток ионов хлора в клетку, вызывая ее гиперполяризацию и снижение возбудимости.

3. Мембранный потенциал покоя и его происхождение.

Термином «мембранный потенциал покоя» принято называть трансмембранную разность потенциалов, существующую между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором. Когда клетка (волокно) находится в состоянии физиологического покоя, ее внутренний заряд отрицателен по отношению к наружному, условно принимаемому за нуль. У разных тканей мембранный потенциал характеризуется разной величиной: самый большой у мышечной ткани -80 -90 мВ, у нервной -70 мВ, у соединительной -35 -40 мВ, у эпителиальной -20мВ.

Образование МПП зависит от концентрации ионов К + , Nа + , Са 2+ , Сl - , и от особенностей строение мембраны клетки. В частности, ионные каналы, имеющиеся в мембране, обладают свойствами:

1. Селективностью (избирательной проницаемостью)

2. Электровозбудимостью.

В состоянии покоя натриевые каналы все закрыты, а большинство калиевых – открыты. Каналы могут открываться и закрываться. В мембране существуют каналы утечки (неспецифические), которые проницаемы для всех элементов, но более проницаемы для калия. Калиевые каналы всегда открыты, и ионы движутся через эти каналы по концентрационному и электрохимическому градиенту.

Согласно мембранно-ионной теории наличие МПП обусловлено:

непрерывным движением ионов по ионным каналам мембраны,

постоянно существующей разностью концентраций катионов по обе стороны мембраны,

непрерывной работой натрий-калиевого насоса.

различной проницаемостью каналов для этих ионов.

Ионов К + много в клетке, снаружи его мало, Nа + - наоборот, много вне клетки и мало в клетке. Ионов Сl - чуть больше снаружи клетки, чем внутри. Внутри клетки много органических анионов, которые в основном и обеспечивают отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны.

В состоянии покоя мембрана клетки проницаема только для ионов К + . Ионы калия в состоянии покоя постоянно выходят в окружающую среду, где высокая концентрация Nа + . Поэтому, в состоянии покоя, наружная поверхность мембраны заряжена положительно. Высокомолекулярные органические анионы (белки) концентрируются у внутренней поверхности мембраны и определяют ее отрицательный заряд. Они же электростатически удерживают ионы К + с другой стороны мембраны. Основную роль в образовании МПП принадлежит ионам К + .

Несмотря на потоки ионов через каналы утечки разность концентрации ионов не выравнивается, т.е. сохраняется всегда постоянной. Этого не происходит потому, что в мембранах существуют Nа + - К + - насосы. Они непрерывно откачивают Nа + из клетки и против градиента концентрации вводят в цитоплазму К + . На 3 иона Nа + , которые выводятся из клетки, внутрь вводится 2 иона К + . Перенос ионов против градиента концентрации осуществляется активным транспортом (с затратой энергии). В случае отсутствия энергии АТФ клетка погибает.

Наличие потенциала покоя позволяет клетке практически мгновенно после действия раздражителя перейти из состояния функционального покоя в состояние возбуждения.

При возбуждении происходит снижение величины исходного потенциала покоя с перезарядкой мембраны. Когда внутренний заряд мембраны становится менее отрицательным наступает деполяризация мембраны и начинает развиваться потенциал действия.

4.Потенциал действия и механизм его происхождения.

Соотношение фаз возбудимости с фазами потенциала действия.

Потенциалом действия называют быстрое колебание мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и секреторных клеток. В его основе лежат изменения ионной проницаемости мембраны. Амплитуда и характер изменений потенциала действия мало зависят от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения.

Порог раздражения – эта минимальная сила, при которой возникает минимальная ответная реакция. Для характеристики порога раздражения используется понятие реобаза (рео – ток, база – основной).

Кроме пороговых различают подпороговые раздражители, которые не могут вызвать ответной реакции, но вызывают сдвиг обмена веществ в клетке. Также существуют надрпороговые раздражители.

Возникнув, ПД распространяется вдоль мембраны, не изменяя своей амплитуды. В нем различают фазы:

Деполяризации:

а) медленная деполяризация;

б) быстрая деполяризация.

Реполяризация:

а) быстрая реполяризация;

б) медленная реполяризация (отрицательный следовой потенциал)

Гиперполяризация (положительный следовой потенциал)

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.

Строение и функции ионных каналов. Ионы Na + , K + , Са 2+ , Сl - проникают внутрь клетки и выходят наружу через специальные, заполненные жидкостью каналы. Размер каналов довольно мал (ди­аметр 0,5-0,7 нм). Расчеты показывают, что суммарная площадь каналов занимает незначительную часть поверхности клеточной мембраны.

Функцию ионных каналов изучают различными способами. На­иболее распространенным является метод фиксации напряжения, или «voltage-clamp» (рис. 2.2). Сущность метода заключается в том, что с помощью специальных электронных систем в процессе опыта изменяют и фиксируют на определенном уровне мембранный по­тенциал. При этом измеряют величину ионного тока, протекающего через мембрану. Если разность потенциалов постоянна, то в соот­ветствии с законом Ома величина тока пропорциональна проводи­мости ионных каналов. В ответ на ступенчатую деполяризацию открываются те или иные каналы, соответствующие ионы входят в клетку по электрохимическому градиенту, т. е. возникает ионный ток, который деполяризует клетку. Это изменение регистрируется с помощью управляющего усилителя и через мембрану пропускается электрический ток, равный по величине, но противоположный по направлению мембранному ионному току. При этом трансмембран­ная разность потенциалов не изменяется. Совместное использование метода фиксации потенциала и специфических блокаторов ионных каналов привело к открытию различных типов ионных каналов в клеточной мембране.

В настоящее время установлены многие типы каналов для раз­личных ионов (табл. 2.1). Одни из них весьма специфичны, вторые, кроме основного иона, могут пропускать и другие ионы.

Изучение функции отдельных каналов возможно методом ло­кальной фиксации потенциала «path-clamp»; рис. 2.3, А). Стеклян­ный микроэлектрод (микропипетка) заполняют солевым раствором, прижимают к поверхности мембраны и создают небольшое разре­жение. При этом часть мембраны подсасывается к микроэлектроду. Если в зоне присасывания оказывается ионный канал, то регист­рируют активность одиночного канала. Система раздражения и ре­гистрации активности канала мало отличается от системы фиксации напряжения.

Таблица 2.1. Важнейшие ионные каналы и ионные токи возбудимых клеток

Примечание. ТЭА - тетраэтиламмоний; ТТХ - тетродотоксин.

Наружная часть канала сравнительно доступна для изучения, исследование внутренней части представляет значительные трудности. П. Г. Костюком был разработан метод внутриклеточного диа­лиза, который позволяет изучать функцию входных и выходных структур ионных каналов без применения микроэлектродов. Ока­залось, что часть ионного канала, открытая во внеклеточное про­странство, по своим функциональным свойствам отличается от части канала, обращенной во внутриклеточную среду.

Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мем­браны: селективность и проводимость.

Селективность, или избирательность, канала обеспечивается его особой белковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, т. е. их способность проводить ионы зависит от величины мембранного потенциала. Канал неоднороден по своим функциональным характеристикам, особенно это касается белковых структур, находящихся у входа в канал и у его выхода (так назы­ваемые воротные механизмы).

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 – способность клетки отвечать на раздражение формирование ПД и специфической реакцией.

1) фаза локального ответа – частичная деполяризация мембраны (вхождение Na + в клетку). Если нанести раздражитель небольшой, то ответ – сильнее.

Локальная деполяризация – фаза экзальтации.

2) фаза абсолютной рефрактерности – свойство возбудимых тканей не формировать ПД ни при каком по силе раздражителе

3) фаза относительной рефрактерности.

4) фаза медленной реполяризации – раздражение – опять сильный ответ

5) фаза гиперполяризации – возбудимость меньше (субнормальная), стимул должен быть большим.

Функциональная лабильность – оценка возбудимости ткани через максимально возможное количество ПД в единицу времени.

Законы возбуждения:

1) закон силы – сила раздражителя должна быть пороговой или надпороговой (минимальная величина силы, которая вызывает возбуждение). Чем сильнее раздражитель, тем сильнее возбуждение – только для объединений ткани (нервный ствол, мышца, исключение – ГМК).

2) закон времени – длительной действующего раздражителя должна быть достаточной для возникновения возбуждения.

Между силой и временем обратно пропорциональная зависимость в границах между минимальным временем и минимальной силой. Минимальная сила – реобаза – сила, которая вызывает возбуждение и не зависит от длительности. Минимальное время – полезное время. Хронаксия – возбудимость той или иной ткани, время, при котором возникает возбуждение, равно двум реобазам.

Чем больше сила, тем больше ответ до определенного значения.

Факторы, создающие МПП:

1) разность концентраций натрия и калия

2) различная проницаемость для натрия и калия

3) работа Na-К насоса (3 Na + выводится, 2 К + возвращается).

Зависимость между силой раздражителя и продолжительностью его воздействия, необходимого для возникновения минимальной ответной реакции живой структуры, очень хорошо можно проследить на так называемой кривой силы - времени (кривая Гоорвега-Вейса-Лапика).

Из анализа кривой следует, что, как бы ни велика была сила раздражителя, при недостаточной длительности его воздействия ответной реакции не будет (точки слева от восходящей ветви гиперболы). Аналогичное явление наблюдается при продолжительном действии подпороговых раздражителей. Минимальная сила тока (или напряжения), способная вызвать возбуждение, названа Лапиком реобазой (отрезок ординаты ОА). Наименьший промежуток времени, в течение которого ток, равный по силе удвоенной реобазе, вызывает в ткани возбуждение, называют хронаксией (отрезок абсциссы OF), которая представляет собой показатель пороговой длительности раздражения. Хронаксия измеряется в δ (тысячные доли секунды). По величине хронаксии можно судить о скорости возникновения возбуждения в ткани: чем меньше хронаксия, тем быстрее возникает возбуждение. Хронаксия нервных и мышечных волокон человека равна тысячным и десятитысячным долям секунды, а хронаксия так называемых медленных тканей, например мышечных волокон желудка лягушки, - сотым долям секунды.

Определение хронаксии возбудимых тканей получило широкое распространение не только в эксперименте, но и в физиологии спорта, в клинике. В частности, путем измерения хронаксии мышцы невропатолог может установить наличие повреждения двигательного нерва. Необходимо отметить, что раздражитель может быть достаточно сильным, иметь пороговую длительность, но низкую скорость нарастания во времени до пороговой величины, возбуждение в этом случае не возникает. Приспособление возбудимой ткани к медленно нарастающему раздражителю получило название аккомодации. Аккомодация обусловлена тем, что за время нарастания силы раздражителя в ткани успевают развиться активные изменения, повышающие порог раздражения и препятствующие развитию возбуждения. Таким образом, скорость нарастания раздражения во времени, или градиент раздражения, имеет существенное значение для возникновения возбуждения.

Закон градиента раздражения. Реакция живого образования на раздражитель зависит от градиента раздражения, т. е. от срочности или крутизны нарастания раздражителя во времени: чем выше градиент раздражения, тем сильнее (до определенных пределов) ответная реакция возбудимого образования.

Следовательно законы раздражения отражают сложные взаимоотношения между раздражителем и возбудимой структурой при их взаимодействии. Для возникновения возбуждения раздражитель должен иметь пороговую силу, обладать пороговой длительностью и иметь определенную скорость нарастания во времени.

6. Ионные насосы (АТФ-азы): K+-Na+-евая, Ca2+-евая (плазмолеммы и саркоплазматического ретикулума), H+–K+-обменник.

Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы,работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы).

В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану (рис.13).

Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вследствие сопряжения процессов переноса с химическими реакциями, за счет энергии метаболизма клеток.

При работе К+-Na+-АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение.

Признаки «бионасоса»:

1. Движение против градиента электрохимического потенциала.

2. поток вещества сопряжён с гидролизом АТФ (или другого источника энергии).

3. асимметрия транспортной машины.

4. насос in vitro способен гидролизовать АТФ только в присутствии тех ионов, которые он переносит in vivo.

5. при встраивании насоса в искусственную среду он способен сохранять селективность.

Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не изучен. Тем не менее прослеживаются основные этапы этого сложного ферментативного процесса. В случае К+-Nа+-АТФазы насчитывается семь этапов переноса ионов, сопряженных с гидролизом АТФ.

На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента являются:

1) образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния);

2) связывание комплексом трех ионов натрия;

3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата;

4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны;

5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны;

6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки;

7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р).

Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.