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 Са 2+ 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 Са 2+ 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 Са 2+ . Механочувствитель­ные каналы являются вообще неселективны­ми для одновалентных ионов и Са 2+ .

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 Са 2+ ;

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 Са 2+ 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 Са 2+ 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 Са 2+ 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 Са 2+ .

Ионные каналы блокируются специфи­ческими веществами и фармакологическими препаратами, что широко используется с ле­чебной целью. Специфическим блокатором механочувствительных каналов является Gadolinium (Gd 3+). 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 мкм 2 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 Са 2+ , 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.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Физиология возбудимых тканей

Значение изучения раздела.. Раздел Физиология возбудимых тканей изучается первым в курсе нормальной физиологии Возбудимые ткани играют важную..

По определению Робертсона, клетку можно рассматривать как трифазную систему, которая состоит из нуклео-цитоплазматического матрикса, мембранной фазы и внешней фазы. На мембраны приходится около 2/3

Электрические явления в тканях
1.2.1.Открытие «животного электричества» В конце XVIII в. (1786 г.) профессор анато­мии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целена

Локальный потенциал (локальный ответ)
При раздражении возбудимой ткани не всегда возникает ПД. В частности, если сила раздражителя мала, деполяризация не достигнет критического уровня, естественно, не возникнет импульс­ное - распростра

Законы раздражения возбудимых тканей
Ответная реакция возбудимой ткани на действие раздражителя зависит от двух групп факторов: от возбудимости возбудимой ткани и от характеристик раздражителя. Возбудимость клетки изменяется

Тесты 1-2 уровня для самоконтроля знаний

— трансмембранные белки, образующие поры через цитоплазматическую и другие биологические мембраны, которые помогают устанавливать и управлять электрическим напряжением через мембраны всех живых клеток (так называемым мембранным потенциалом), позволяя движение определенных ионов вниз по электрохимическим градиентом.

Основные черты

Ионные каналы регулируют поток ионов через мембрану во всех клетках. Они представляют собой белковую молекулу или комплекс нескольких молекул, которые пронизывают липидный слой клеточной мембраны насквозь. Внутри белка находится сквозное отверстие, или пора, по которой могут двигаться ионы. Пора открывается и закрывается с помощью движений белковой молекулы самого канала или вспомогательных белков — так называемый «Воротные механизм». При открывании времени через канал движутся ионы, которых заставляет перемещаться электрохимический градиент по обе стороны клеточной мембраны. Таким образом, каналы являются проводниками пассивного транспорта.

Движение ионов через канал приводит к изменению мембранного потенциала клетки или вхождения новых ионов в клетку (в первую очередь ионов кальция и хлора). Это в дальнейшем приводит к изменению функции клетки. Трансмембранный градиент поддерживается для немногих малых ионов: катионов (Na +, Ca 2+, K +, H +) и анионов (Cl -, OH -). Тем не менее, существует несколько сотен генов, кодирующих различные ионные каналы живых организмов. Это многообразие связано в частности с многообразием воротных механизмов. Белковая молекула канала воспринимает определенный вид энергии и в ответ меняет свою конформацию так, чтобы время канала открылась или закрылась. Распространены потенциалзависимые каналы, то есть те, которые открываются в ответ на определенную разность потенциалов на мембране, и хемозалежни каналы, то есть те, которые изменяют конформацию после связывания со специфической молекулой. Есть также каналы, которые меняют свою способность пропускать ионный ток в ответ на изменение температуры, pH, давление на мембрану, свет и т.

Молекулярное строение

Эти комплексы обычно имеют вид цилиндрической структуры, составленной из одной или нескольких идентичных, гомологичных или различных белковых молекул, плотно упакованных вокруг заполненной водой поры, проходит через липидный бислой мембраны. Если эти белковые молекулы или субъединицы канала являются продуктами одного гена, то канал является гомомером, если же разных — то гетерометром. По количеству субъединиц различают мономеры, димеры, триммеры, тетрамеры, пентамер, октамер т. Например, калиевые каналы часто является гомотетрамерамы — то есть образованные четырьмя одинаковыми субъединицами. По обычной номенклатурой, субъединицы, формирующие время, называются α-субъединицами, тогда как вспомогательные субъединицы — β, γ и так далее. Каждая α-субъединица состоит из нескольких (2-7) трансмембранных сегментов (что чаще всего является α-спиралями), Р-петли, которая выстилает время, цитоплазматических концов и внеклеточного петель.

Свойства ионных каналов

• Селективность — это способность канала избирательно пропускать определенный тип ионов. Избирательность является относительной: даже высокоселективные каналы при определенных условиях (ионный состав среды, липидный состав мембран, температура и т.д.) могут пропускать и другие ионы помимо основного. Но при физиологическом состоянии за селективностью каналы делятся на селективные (например, натриевые или калиевые), или неселективные (катионный канал глутаматных рецептора). Селективность обычно достигается специфическим строением поры. Пора содержит в себе селективный фильтр, который может иметь ширину около диаметра одного атома, разрешающий прохождение только определенного типа ионов, например натрия или калия, или в нем находятся места связывания, имеющих сродство только к определенным ионов (например, кальция) .
• Проницаемость — это способность определенного иона проходить сквозь время канала. Проницаемость прямо следует из селективности. Чем выше селективность канала, тем ниже проводимости для неосновных ионов.
• Проводимость — это величина, показывающая количество ионов, которые способны пройти через время канала в единицу времени. Единица проводимости — сименс.

Биологическая роль

Открытие и закрытие ионных каналов лежат в основе передачи нервных импульсов, а проводимость каналов является основой работы электрических синапсов. Поэтому ионные каналы крайне важными компонентами нервной системы. Действительно, большинство наступательных и защитных токсинов, которые организмы развили для прекращения работы нервные системы хищников и добычи (например, яды, выделяемые пауками, скорпионами, змеями, рыбами, пчелами, морскими моллюсками и другими организмами) работают из-за блокирования ионных Калалы. Ионные каналы вовлечены в поддержание напряжения в митохондриях эукариот и на плазматических мембранах прокариот, которая используется для получения энергии в виде АТФ — основного «топлива» клеток. Кроме того, многочисленные ионные каналы отвечают за широкий спектр биологических процессов, которые привлекают быстрые изменения состояния клетки, например сердечной деятельности, сокращения скелетных и гладких мышц, транспорт питательных веществ через эпителий, работе T-лимфоцитов, секреции гормонов. При разработке новых лекарств ионные каналы — очень частые мишени.

Многообразие ионных каналов

Единой классификации ионных каналов на сегодняшний день не существует. Каналы систематизируют по селективностью к ионам (анионные, катионные, натриевые, калиевые, хлорные и т.д.), по механизму активации (потенциалзависимые, лигандкеровани, депокеровани, механорецепторы, температурозалежни и т.п.), по чувствительности к химическим веществам (например, АТФ-зависимые, TTX- нечувствительны), по генетической гомологией. В украинской научной литературе предложена следующая классификация:

• Лигандкеровани ионные каналы
  • Cys-петельные — гомо- или гетеропентамерни
    • Неселективные катионные: никотиновый ацетилхолиновых рецепторов, серотониновый рецептор
    • Селективные хлорные: глицинового рецептор, ГАМК А рецептор, ГАМК С рецептор
  • Глутаматных рецепторов — гомо- или гетеротетрамеры
    • AMPA-рецепторы, каинатни рецепторы, NMDA-рецепторы
  • Пуриновые рецепторы — гомо- или гетеротетрамеры
    • P2X рецепторы
• Потенциалзависимые ионные каналы
  • Натриевые каналы
    • тетродоксин-чувствительные
    • тетродоксин-нечувствительны
  • Кальциевые каналы
    • L-типа
    • N-типа
    • P / Q-типа
    • R-типа
    • T-типа — низькопорогови кальциевые каналы
• Калиевые каналы
  • Потенциалзависимые
    • Shaker- Shab- Shal- Shaw-родственные
    • KvLQT1-родственные
    • eag-родственные
    • erg-родственные
    • elc-родственные
  • кальций-активированные
    • большой проводимости BK
    • малой проводимости SK
    • Na-, Cl-активированные
    • OH-активированные
  • Входного выпрямления
    • G-белок регулируемые GIRK
    • АТФ-зависимые калиевые каналы K-ATP
  • фоновые
    • двопородоменни (2P)
• Каналы, управляемые циклическими нуклеотидами
• Депокеровани и арахидонатрегульовани каналы
• Каналы "транзиентной рецепторного потенциала" (ТРТ)
  • • TRPC, "классические"
    • TRPV, "ванилоидни" TRPV1
    • TRPM, "меластатинови" TRPM8
    • TRPA, "анкирином"
    • TRPP, "полицистинови"
    • TRPML, "муколипины"
• Натриевые потенциалзависимые дегенеринподибни
  • эпителиальные ENaC
  • протончутливи ASIC
• Анионные ионные каналы
  • Хлорные каналы ClC

Заболевания, связанные с ионными каналами

Нарушение работы ионных каналов часто приводят к заболеваниям — каналопатиям. Основная причина таких нарушений — наследственные мутации, влияющие на структуру канала, но и возможны и другие повреждения (метаболические, радиационные и т.п.). Примеры каналопатиям:

• муковисцидоз
• сердечные аритмии
• синдром Бругада
• синдром Тимоти
• генерализованная эпилепсия

Как изучают ионные каналы

Мембранная теория

Долгое время цитологи спорили, как устроена клетка. Между собой конкурировали две теории: мембранная и фазовая. Мембранная теория предполагала наличие полупроницаемого барьера, который бы отделял цитоплазму от межклеточного пространства, создавая градиенты веществ. Фазовая теория исключала наличие такого барьера, а гомеостаз в клетке поддерживают белки-акцепторы различных веществ — акцепторы калия, натрия, кислорода, глюкозы и др. Открытие электронной микроскопии показало победу мембранной теории. Поэтому следующим шагом стало изучение свойств мембраны. Ходжкин и Бернард Кац обнаружили способность гигантского аксона кальмара пропускать различные ионы при различных мембранных потенциалах. Так появилась гипотеза о наличии селективных ионных каналов. В дальнейшем она блестяще подтвердилась.

Методы исследования

Первые исследования ионных каналов были осуществлены с помощью микроэлектродов на гигантских возбуждающих клетках. Развитие микроэлектродной техники привело к созданию метода фиксации потенциала на участке мембраны. Сначала исследования проводились только на функциональном уровне, дальше гены каналов был клонирован и их стали также изучать генетически и структурно. Также ионные каналы теперь искусственно вводят в клетки, почти не имеют собственных каналов (яйцеклетки, иммортализовани клеточные линии и т.п.), где изучают их функции. Используют ряд молекулярно-биологических и оптических методов (ПЦР, количественную ПЦР, ПЦР для одной клетки, иммунохимических методы, флуоресцентную микроскопию). Некоторые канальные белки удалось закристализуваты и провести рентгеноструктурный анализ. Другие структуры предусмотрены пока теоретически.

Вклад украинских ученых в исследования ионных каналов

В Институте физиологии имени А.А. Богомольца НАН Украины еще с 1950-х начались исследования электрических свойств клеток. У истоков этой работы стояли Даниил Воронцов, Платон Костюк, Михаил Шуба. Впервые в мире Костюк и Хрусталь доказали наличие отдельных кальциевых каналов в клеточной мембране нервных клеток. В дальнейшем под руководством Платона Костюка группой Николая Веселовского было впервые описано токи через кальциевые каналы Т-типа, а группой Олега Крышталя — через пуриновые и протончутливи каналы.

В 2005 году выходец из Украины Юрий Киричек (ученик Олега Крышталя) впервые описал токи через ионные каналы сперматозоида, в частности удалось открыть лужночутливий кальциевый канал CatSper.

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.

Ионные каналы

Ионные каналы представлены интегральными белками мембраны. Эти белки способны, при определенных воздействиях, изменять свою конформацию (форму и свойства) таким образом, что пора, через которую может пройти какой-либо ион открывается или закрывается. Известны натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные каналы, иногда канал может пропускать два иона, например известны натрий – кальциевые каналы. Через ионные каналы осуществляется только пассивный транспорт ионов. Это значит, что для перемещения иона необходим не только открытый канал, но и градиент концентрации для этого иона. В этом случае, будет движение иона по градиенту концентрации – из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Необходимо помнить, что мы говорим об ионах – заряженных частицах, транспорт которых обусловлен еще и зарядом. Возможны ситуации, когда движение по градиенту концентрации может быть направлено в одну сторону, а существующие заряды противодействуют этому переносу.

Ионные каналы обладают двумя важнейшими свойствами: 1) избирательностью (селективностью) по отношению к определенным ионам и 2) способностью открываться (активироваться) и закрываться . При активации канал открывается и пропускает ионы (рис. 8). Таким образом, в комплекс интегральных белков, формирующих канал, должны обязательно входить два элемента: структуры, распознающие «свой» ион и способные его пропустить, и структуры, которые позволяют узнать – когда пропускать этот ион. Селективность канала определяется теми белками, которые его образуют, «свой» ион распознается по размерам и заряду.

Активация каналов возможна несколькими путями. Во-первых, каналы могут открываться и закрываться при изменении потенциала мембраны. Изменение заряда приводит к изменению конформации белковых молекул, и канал становится проницаемым для иона. Для изменения свойств канала достаточно ничтожного колебания потенциала мембраны. Такие каналы называются потенциал-зависимые (или электроуправляемые). Во-вторых, каналы могут быть частью сложного белкового комплекса, который называется мембранный рецептор. В этом случае изменение свойств канала обусловлено конформационнй перестройкой белков, которая происходит в результате взаимодействия рецептора с биологически активным веществом (гормоном, медиатором). Такие каналы называются хемозависимые (или рецептор-управляемые) . Кроме того, каналы могут открываться при механическом воздействии – давлении, растяжении (рис.9). Механизм, который обеспечивает активацию, называется воротами канала. По скорости, с которой открываются и закрываются каналы их можно разделить на быстрые и медленные.

Большинство каналов (калиевые, кальциевые, хлорные) могут находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. В работе натриевых каналов есть некоторые особенности. Этим каналам, как и калиевым, кальциевым, хлорным свойственно находиться или в открытом, или в закрытом состоянии, однако, натриевый канал может быть и инактивирован, этот состояние, в котором канал закрыт и не может быть открыт никаким воздействием (рис.10).

Рисунок 8. Состояния ионных каналов

Рисунок 9. Пример работы рецептор-управляемого канала. АЦХ – ацетилхолин. Взаимодействие молекулы АЦХ с мембранным рецептором изменяет конформацию воротного белка таким образом, что канал начинает пропускать ионы .

Рисунок 10 Пример потенциал-зависимого канала

В потенциал-зависимом натриевом канале имеются активационные и инактивационные ворота (заслонки). Активационные и инактивационные заслонки меняют конформацию при различном мембранном потенциале.

При рассмотрении механизмов возбуждения нас будет интересовать в основном работа натриевых и калиевых каналов, однако, остановимся коротко на особенностях кальциевых каналов, они нам понадобятся в дальнейшем. Натриевые и кальциевые каналы отличаются по своим свойствам. Натриевые каналы бывают быстрые и медленные, а кальциевые – только медленные. Активация натриевых каналов приводит только к деполяризации и возникновению или ЛО, или ПД, активация кальциевых может дополнительно вызвать метаболические изменения в клетке. Эти изменения обусловлены тем, что кальций связывается со специальными, чувствительными к этому иону белками. Связанный с кальцием белок изменяет свойства таким образом, что становится способен изменить свойства других белков, например, активировать ферменты, запустить сокращение мышцы, выделение медиаторов.

Модель возбудимой мембраны по теории Ходжкина-Хаксли предполагает регулируемый перенос ионов через мембрану. Однако непосредственный переход иона через липидный бислой весьма затруднен, а следовательно, был бы мал и поток ионов.

Это и ряд других соображений дали основание считать, что в мембране должны быть некоторые специальные структуры - проводящие ионы. Такие структуры были найдены и названы ионными каналами. Подобные каналы выделены из различных объектов: плазматической мембраны клеток, постсинаптической мембраны мышечных клеток и других объектов. Известны также ионные каналы, образованные антибиотиками.

Основные свойства ионных каналов:

1) селективность;

2) независимость работы отдельных каналов;

3) дискретный характер проводимости;

4) зависимость параметров каналов от мембранного потенциала.

Рассмотрим их по порядку.

1. Селективностью называют способность ионных каналов избирательно пропускать ионы какого-либо одного типа.

Еще в первых опытах на аксоне кальмара было обнаружено, что ионы Na+ и Кт по-разному влияют на мембранный потенциал. Ионы К+ меняют потенциал покоя, а ионы Na+ - потенциал действия. В модели Ходжкина-Хаксли это описывается путем введения независимых калиевых и натриевых ионных каналов. Предполагалось, что первые пропускают только ионы К+, а вторые - только ионы Na+.

Измерения показали, что ионные каналы обладают абсолютной селективностью по отношению к катионам (катион-селективные каналы) либо к анионам (анион-селективные каналы). В то же время через катион-селективные каналы способны проходить различные катионы различных химических элементов, но проводимость мембраны для неосновного иона, а значит, и ток через нее, будет существенно ниже, например, для Na + -кaнала калиевый ток через него будет в 20 раз меньше. Способность ионного канала пропускать различные ионы называется относительной селективностью и характеризуется рядом селективности - соотношением проводимостей канала для разных ионов, взятых при одной концентрации. При этом для основного иона селективность принимают за 1. Например, для Na+-канала этот ряд имеет вид:

Na + : К + = 1: 0,05.

2. Независимость работы отдельных каналов. Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток через другие каналы. Например, К + -каналы могут быть включены или выключены, но ток через Nа + -каналы не меняется. Влияние каналов друг на друга происходит опосредованно: изменение проницаемостей каких-либо каналов (например, натриевых) меняет мембранный потенциал, а уже он влияет на проводимости прочих ионных каналов.

3. Дискретный характер проводимости ионных каналов. Ионные каналы представляют собой субъединичный комплекс белков, пронизывающий мембрану. В центре его существует трубка, сквозь которую могут проходить ионы. Количество ионных каналов на 1 мкм 2 поверхности мембраны определяли с помощью радиоактивно меченного блокатора натриевых каналов - тетродотоксина. Известно, что одна молекула ТТХ связывается только с одним каналом. Тогда измерение радиоактивности образца с известной площадью позволило показать, что на 1 мкм 2 аксона кальмара находится около 500 натриевых каналов.

Те трансмембранные токи, которые измеряют в обычных экспериментах, например, на аксоне кальмара длиной 1 см и диаметром 1 мм, то есть площадью 3*10 7 мкм 2 , обусловлены суммарным ответом (изменением проводимости) 500 3 10 7 -10 10 ионных каналов. Для такого ответа характерно плавное во времени изменение проводимости. Ответ одиночного ионного канала меняется во времени принципиально иным образом: дискретно и для Nа+-каналов, и для К+- , и для Са 2+ -каналов.

Впервые это было обнаружено в 1962 г. в исследованиях проводимости бислойных липидных мембран (БЛМ) при добавлении в раствор, омывающий мембрану, микроколичеств некоторого вещества, индуцировавшего возбуждение. На БЛМ подавали постоянное напряжение и регистрировали ток I(t). Запись тока во времени имела вид скачков между двумя проводящими состояниями.

Одним из эффективных методов экспериментального исследования ионных каналов стал разработанный в 80-е годы метод локальной фиксации потенциала мембраны ("Patch Clamp"), (рис. 10).

Рис. 10. Метод локальной фиксации потенциала мембраны. МЭ - микроэлектрод, ИК - ионный канал, М - мембрана клетки, СФП - схема фиксации потенциала, I - ток одиночного канала

Суть метода заключается в том, что микроэлектрод МЭ (рис. 10) тонким концом, имеющим диаметр 0,5-1 мкм, присасывается к мембране таким образом, чтобы в его внутренний диаметр попал ионный канал. Тогда, используя схему фиксации потенциала, можно измерять токи, которые проходят только через одиночный канал мембраны, а не через все каналы одновременно, как это происходит при использовании стандартного метода фиксации потенциала.

Результаты экспериментов, выполненных на различных ионных каналах, показали, что проводимость ионного канала дискретна и он может находиться в двух состояниях: открытом или закрытом. Переходы между состояниями происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Нельзя сказать, что данный ионный канал откроется именно в этот момент времени. Можно лишь сделать утверждение о вероятности открывания канала в определенном интервале времени.

4. Зависимость параметров канала от мембранного потенциала. Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. Этот процесс происходит следующим образом: Ион-селективный канал имеет сенсор - некоторый элемент своей конструкции, чувствительный к действию электрического поля (рис. 11). При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания ворот - своеобразных заслонок, действующих по закону "все или ничего". Экспериментально показано, что под действием деполяризации мембраны увеличивается вероятность перехода натриевого канала в проводящее состояние. Скачок напряжения на мембране, создаваемый при измерениях методом фиксации потенциала, приводит к тому, что большое число каналов открывается. Через них проходит больше зарядов, а значит, в среднем, протекает больший ток. Существенно, что процесс роста проводимости канала определяется увеличением вероятности перехода канала в открытое состояние, а не увеличением диаметра открытого канала. Таково современное представление о механизме прохождения тока через одиночный канал.

Плавные кинетические кривые токов, регистрируемых при электрических измерениях на больших мембранах, получаются вследствие суммации многих скачкообразных токов, протекающих через отдельные каналы. Их суммирование, как показано выше, резко уменьшает флуктуации и дает достаточно гладкие зависимости трансмембранного тока от времени.

Ионные каналы могут быть чувствительны и к другим физическим воздействиям: механическим деформациям, связыванию химических веществ и т.д. В этом случае они являются структурной основой, соответственно, механорецепторов, хемо-рецепторов и т.д.

Изучение ионных каналов в мембранах есть одна из важных задач современной биофизики.

Структура ионного канала.

Ион-селективный канал состоит из следующих частей (рис. 11): погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; воротной части.

Ворота ионного канала управляются мембранным потенциалом и могут находиться как в закрытом состоянии (штриховая линия), так и в открытом состоянии (сплошная линия). Нормальное положение ворот натриевого канала - закрытое. Под действием электрического поля увеличивается вероятность открытого состояния, ворота открываются и поток гидратированных ионов получает возможность проходить сквозь селективный фильтр.

Если ион подходит по диаметру, то он сбрасывает гидратную оболочку и проскакивает на другую сторону ионного канала. Если же ион слишком велик по диаметру, как, например, тетраэтиламмоний, он не в состоянии пролезть сквозь фильтр и не может пересечь мембрану. Если же, напротив, ион слишком мал, то у него возникают сложности в селективном фильтре, на сей раз связанные с трудностью сброса гидратной оболочки иона.

Блокаторы ионных каналов либо не могут пройти сквозь него, застревая в фильтре, либо, если это большие молекулы, как ТТХ, они стерически соответствуют какому-либо входу в канал. Так как блокаторы несут положительный заряд, их заряженная часть втягивается в канал к селективному фильтру как обычный катион, а макромолекула закупоривает его.

Таким образом, изменения электрических свойств возбудимых биомембран осуществляется с помощью ионных каналов. Это белковые макромолекулы, пронизывающие липидный бислой, которые могут находиться в нескольких дискретных состояниях. Свойства каналов, селективных для ионов К + , Na + и Са 2+ , могут по-разному зависеть от мембранного потенциала, что и определяет динамику потенциала действия в мембране, а также отличия таких потенциалов в мембранах разных клеток.

Рис. 11. Схема строения натриевого ионного канала мембраны в разрезе

Обратная связь.

		1 совершенно несогласен	2 несогласен	3 не знаю	4 согласен	5 совершенно согласен
	Это занятие развило мои навыки по решению проблем.
	Для успешного прохождения этого занятия от меня требовалась только хорошая память.
	Это занятие развило моё умение работать в команде.
	Данное занятие улучшило мои аналитические способности.
	Данное занятие улучшило мои навыки изложения письменного материала.
	На занятии требовалось глубокое понимание материала.