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.
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:
селективного фильтра;
активационных и инактивационных ворот;
сенсора напряжения.
поры, заполненной водой;
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.
Все каналы, имеющиеся в живых тканях, а сейчас мы знаем несколько сотен разновидностей каналов, можно разделить на два основных типа. Первый тип – это каналы покоя, которые спонтанно открываются и закрываются без всяких внешних воздействий. Они важны для генерации мембранного потенциала покоя. Второй тип - это так называемые gate-каналы, или воротные каналы (от слова «ворота»). В покое эти каналы закрыты и могут открываться под действием тех или иных раздражителей. Некоторые разновидности таких каналов принимают участие в генерации потенциалов действия.
Большинство ионных каналов характеризуются избирательностью (селективностью), то есть через определенный вид каналов проходят только определенные ионы. По этому признаку различают натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные каналы. Селективность каналов определяется размерами поры, размерами иона и его гидратной оболочки, зарядом иона, а также зарядом внутренней поверхности канала. Однако встречаются и неселективные каналы, которые могут пропускать сразу два вида ионов: например, калий и натрий. Есть каналы, через которые могут проходить все ионы и даже более крупные молекулы.
Существует классификация ионных каналов по способу активации (рис. 9). Некоторые каналы специфически отвечают на физические изменения в клеточной мембране нейрона. Наиболее яркими представителями этой группы являются потенциал-активируемые каналы . Примерами могут служить чувствительные к потенциалу на мембране натриевые, калиевые, кальциевые ионные каналы, которые отвечают за формирование потенциала действия. Эти каналы открываются при определенном потенциале на мембране. Так, натриевые и калиевые каналы открываются при потенциале около -60 мВ (внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно по сравнению с наружной поверхностью). Кальциевые каналы открываются при потенциале -30 мВ. К группе каналов, активирующихся физическими изменениями, относятся
Рис 9. Способы активации ионных каналов
(А) Ионные каналы, активируемые изменением мембранного потенциала или растяжением мембраны. (Б) Ионные каналы, активируемые химическими агентами (лигандами) с внеклеточной, либо с внутриклеточной стороны.
также механо-чувствительные каналы , которые отвечают на механические воздействия (растяжение или деформация клеточной мембраны). Ионные каналы другой группы открываются тогда, когда химические вещества активируют специальные рецепторные связывающие центры на молекуле канала. Такие лиганд-активируемые каналы подразделяются на две подгруппы, в зависимости от того, являются ли их рецепторные центры внутриклеточными или внеклеточными. Лиганд-активируемые каналы, отвечающие на внеклеточные стимулы, также называют ионотропными рецепторами. Такие каналы чувствительны к медиаторам и принимают самое непосредственное участие в передаче информации в синаптических структурах. К лиганд-активируемым каналам, активирующимся с цитоплазматической стороны, относятся каналы, чувствительные к изменениям концентрации специфических ионов. Например, кальций-активируемые калиевые каналы активируются локальным повышением концентрации внутриклеточного кальция. Такие каналы играют важную роль в реполяризации клеточной мембраны во время завершения потенциала действия. Помимо ионов кальция, типичными представителями внутриклеточных лигандов являются циклические нуклеотиды. Циклический ГМФ, например, отвечает за активацию натриевых каналов в палочках сетчатки. Такой тип канала играет принципиальную роль в работе зрительного анализатора. Отдельным видом модуляции работы канала путем связывания внутриклеточного лиганда является фосфорилирование/дефосфорилирование определенных участков его белковой молекулы под действием внутриклеточных ферментов – протеинкиназ и протеинфосфатаз.
Представленная классификация каналов по способу активации в значительной степени условна. Некоторые ионные каналы могут активироваться только при нескольких воздействиях. Например, кальций-активируемые калиевые каналы чувствительны также к изменению потенциала, а некоторые потенциал-активируемые ионные каналы чувствительны к внутриклеточным лигандам.
Свойства ионных каналов
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. 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. Блокаторы - это вещества, препятствующее работе ионного канала, например, взаимодействию медиатора с молекулярным рецептором к нему и, следовательно, нарушающие управление каналом, блокирующие его. Например, действие ацетилхолина блокируют холиноблокаторы; норадреналина с адреналином - адреноблокаторы; гистамина - гистаминоблокаторы и т. д. Многие блокаторы применяются в терапевтических целях как лекарственные препараты. Литики - это те же блокаторы, термин более старый и используется как синоним для блокатора: холинолитик, адренолитик и т.д.
Пластичность - это способность ИК изменять свои свойства, свои характеристики. Наиболее распространённый механизм, обеспечивающий пластичность - это фосфорилирование аминокислот канальных белков с внутренней стороны мембраны ферментами-протеинкиназами. К канальным белкам присоединяются фосфорные остатки от АТФ или ГТФ - и канал меняет свои свойства. Накпример, фиксируется в постоянно закрытом состоянии, или, наоборот, в открытом.
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.
