Ионные каналы. Каналы клеточных мембран
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.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ И ИОННЫЕ КАНАЛЫ
Биологические мембраны – это функционально активные структуры клеток, ограничивающие цитоплазму и большинство внутриклеточных структур; образуют единую внутриклеточную систему канальцев, складок и замкнутых полостей.
Структурная основа мембраны – двойной слой фосфолипидов, в который встроены мембранные белки. Толщина клеточных мембран 6-12 нм. Молекулы липидов амфотерны. Своими гидрофильными частями они обращены в сторону водной среды (межклеточная жидкость и цитоплазма), гидрофобные части молекул направлены внутрь фосфолипидного бислоя. Такая структура идеально подходит для раздела внеклеточной и внутриклеточной фаз.
Белки, интегрированные в двойной слой фосфолипидов своими полярными участками, образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Они выполняют различные функции: рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул.
Большинство наших знаний об устройстве ионного канала, является результатом функциональной реконструкции. Каждый канал имеет устье, селективный фильтр, ворота и механизм управления воротами.
Часть каналов являются электроуправляемыми, т.е. управляются за счет разности потенциалов на мембране (потенциал-зависимые ионные каналы). Для этого рядом с каналом имеется электрический сенсор, который в зависимости от величины мембранного потенциала либо открывает ворота каналов, либо держит их закрытыми.
Второй вариант ионных каналов – рецептороуправляемые. Ворота управляются за счет рецептора, расположенного на поверхности мембраны (открываются при взаимодействии медиатора с рецептором). В некоторых рецептороуправляемых каналах между рецептором и воротным механизмом имеется промежуточная стадия (посредник типа цАМФ, протеинкиназы и т.д.)
Ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость.
Селективность – или избирательность канала обеспечивается его особой белковой структурой, геометрией канала.
Например, диаметр иона натрия – 0,19 нм, вместе с гидратной оболочкой он становится около 0,3 нм. Устье натриевого канала 0,3 – 0,5 нм. Чтобы пройти через канал (особенно через селективный фильтр), ион натрия или другой ион должен освободиться от гидратной оболочки и только в «голом» виде может пройти через канал. Слишком большой ион не может войти в устье, слишком маленький не способен отдать гидратную оболочку в селективном фильтре, поэтому не может выскочить из канала.
Натриевые каналы (рис. 6) имеют ворота 2-х типов – активационные (m-ворота) и инактивационные (h-ворота). В условиях покоя активационные ворота закрыты, но готовы в любую минуту открыться, а инактивационные – открыты. При снижении МП (деполяризация до 60 мВ) активационные ворота открываются и впускают ионы натрия в клетку, но вскоре начинают закрываться инактивационные ворота (происходит инактивация натриевых каналов). Некоторое время спустя закрываются активационные ворота, открываются инактивационные, и канал готов к новому циклу. Канал блокируется тетродотоксином, местными анестетиками (новокаин и др.).
Рис. 6. Работа натриевых каналов и «воротных» механизмов.
А – в покое m-ворота закрыты; Б – при возбуждении m-ворота открыты; В – закрытие h-ворот (инактивация) при деполяризации.
Калиевые каналы тоже достаточно селективны – в основном пропускают ионы калия. Блокируются тетраэтиламмонием. Процессы инактивации у них выражены слабо. Зато имеются особые калиевые каналы, активирующиеся при повышении внутриклеточной концентрации кальция и деполяризации клеточной мембраны. Активация калий-калльцийзависимых каналов ускоряет реполяризацию (восстановление МП покоя).
Кальциевые каналы. Входящий кальциевый ток недостаточно велик, чтобы нормально деполяризовать клеточную мембрану. Кальций выступает в роли вторичного
посредника (мессенджера). Активация кальциевых каналов обеспечивается деполяризацией клеточной мембраны, напр., входящим натриевым током. Инактивация кальциевых каналов происходит при повышении внутриклеточной концентрации свободного кальция. Однако белки цитоплазмы связывают кальций, что позволяет некоторое время поддерживать стабильную величину кальциевого тока, хотя и на низком уровне; при этом натриевый ток полностью подавляется. Блокируются кальциевые каналы ионами марганца, никеля, кадмия (2-хвалентные ионы), а также лекарственными веществами (верапамил).
Различают пассивный (без затрат энергии) и активный (энергозависимый) транспорт ионов через мембраны.
Пассивный идет за счет простой и облегченной диффузии.
Простая диффузия идет в соответствии с законом Фика – по химическому, электрохимическому или осмотическому градиенту. Напр., в клетке натрия 14 ммоль, а в среде 140 ммоль, в этом случае пассивный поток должен быть направлен в клетку.
Для пассивной простой диффузии вещество должно быть жирорастворимым. Гидрофильные вещества в фосфолипидном бислое мембраны пройти не могут.
Облегченная диффузия происходит или при наличии специализированных каналов или с участием переносчиков, которые специфически связываются с переносимой молекулой, а затем способствуют ее переносу по градиенту концентрации.
Активный транспорт ионов насосами клеточных мембран обеспечивает поддержание ионных градиентов по обе стороны мембраны. Энергия затрачивается на перенос данного вещества против градиента его концентрации.
Доказано участие в активном транспорте ионов специализированных ферментных систем – АТФ-аз, которые осуществляют гидролиз АТФ. Различают:
Натрий–калиевая–АТФ–аза («натриевый насос») обнаружена в мембранах клеток всех животных, растений и микроорганизмов. Это мембранный белок, имеющий два центра связывания ионов. Один из них (натриевый) расположен на внутренней поверхности клеточной мембраны, второй (калиевый) – на ее внешней поверхности. Специфическим ингибитором фермента является сердечный гликозид – строфантин (уабаин), блокирующий работу натриевого насоса. Гидролиз одной молекулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и закачиванием в клетку двух ионов калия. При увеличении количества ионов калия во внеклеточной среде или ионов натрия внутри клетки работа насоса усиливается.
Кальциевая–АТФ-аза («кальциевый насос») наиболее широко распространена в мембранах саркоплазматического ретикулума мышечных клеток.
Протонная–АТФ-аза («протонный насос») – в мембранах митохондрий.
— 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
- Cys-петельные — гомо- или гетеропентамерни
- 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
- Натриевые 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)
- Потенциалзависимые
- 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.
Ионные каналы - особые образования в мембране клетки, представляющие собой олигомерные (состоящие из нескольких субъединиц) белки. Центральным образованием канала является молекула белка, которая пронизывает мембрану таким образом, что в ее гидрофильном центре формируется канал-пора, через которую в клетку способны проникать соединения, диаметр которых не превышает диаметра поры (обычно- это ионы).
Вокруг главной субъединицы канала располагается система из нескольких субъединиц, которые формируют участки для взаимодействия с мембранными регуляторными белками, различными медиаторами, а также фармакологически активными веществами.
Классификация ионных каналов по их функциям:
1) по количеству ионов, для которых канал проницаем, каналы делят на селективные (проницаемы только для одного вида ионов) и неселективные (проницаемы для нескольких видов ионов);
2) по характеру ионов, которые они пропускают на Na + , Ca ++ , Cl - , K + -каналы;
3) по способу регуляции делятся на потенциалзависимые и потенциалнезависимые. Потенциалзависимые каналы реагируют на изменение потенциала мембраны клетки, и при достижении потенциалом определенной величины, канал переходит в активное состояние, начиная пропускать ионы по их градиенту концентрации. Так, натриевые и быстрые кальциевые каналы являются потенциалзависимыми, их активация происходит при снижении мембранного потенциала до -50-60 мВ, при этом ток ионов Na + и Ca ++ в клетку вызывает падение потенциала покоя и генерацию ПД. Калиевые потенциалзависимые каналы активируются при развитии ПД и, обеспечивая ток ионов К + из клетки, вызывают реполяризацию мембраны.
Потенциалнезависимые каналы реагируют не на изменение мембранного потенциала, а на взаимодействие рецепторов, с которыми они взаимосвязаны, и их лигандов. Так, Cl - -каналы связаны с рецепторами g-аминомасляной кислоты и при взаимодействии этих рецепторов с ней они активируются и обеспечивают ток ионов хлора в клетку, вызывая ее гиперполяризацию и снижение возбудимости.
3. Мембранный потенциал покоя и его происхождение.
Термином «мембранный потенциал покоя» принято называть трансмембранную разность потенциалов, существующую между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором. Когда клетка (волокно) находится в состоянии физиологического покоя, ее внутренний заряд отрицателен по отношению к наружному, условно принимаемому за нуль. У разных тканей мембранный потенциал характеризуется разной величиной: самый большой у мышечной ткани -80 -90 мВ, у нервной -70 мВ, у соединительной -35 -40 мВ, у эпителиальной -20мВ.
Образование МПП зависит от концентрации ионов К + , Nа + , Са 2+ , Сl - , и от особенностей строение мембраны клетки. В частности, ионные каналы, имеющиеся в мембране, обладают свойствами:
1. Селективностью (избирательной проницаемостью)
2. Электровозбудимостью.
В состоянии покоя натриевые каналы все закрыты, а большинство калиевых – открыты. Каналы могут открываться и закрываться. В мембране существуют каналы утечки (неспецифические), которые проницаемы для всех элементов, но более проницаемы для калия. Калиевые каналы всегда открыты, и ионы движутся через эти каналы по концентрационному и электрохимическому градиенту.
Согласно мембранно-ионной теории наличие МПП обусловлено:
Ø непрерывным движением ионов по ионным каналам мембраны,
Ø постоянно существующей разностью концентраций катионов по обе стороны мембраны,
Ø непрерывной работой натрий-калиевого насоса.
Ø различной проницаемостью каналов для этих ионов.
Ионов К + много в клетке, снаружи его мало, Nа + - наоборот, много вне клетки и мало в клетке. Ионов Сl - чуть больше снаружи клетки, чем внутри. Внутри клетки много органических анионов, которые в основном и обеспечивают отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны.
В состоянии покоя мембрана клетки проницаема только для ионов К + . Ионы калия в состоянии покоя постоянно выходят в окружающую среду, где высокая концентрация Nа + . Поэтому, в состоянии покоя, наружная поверхность мембраны заряжена положительно. Высокомолекулярные органические анионы (белки) концентрируются у внутренней поверхности мембраны и определяют ее отрицательный заряд. Они же электростатически удерживают ионы К + с другой стороны мембраны. Основную роль в образовании МПП принадлежит ионам К + .
Несмотря на потоки ионов через каналы утечки разность концентрации ионов не выравнивается, т.е. сохраняется всегда постоянной. Этого не происходит потому, что в мембранах существуют Nа + - К + - насосы. Они непрерывно откачивают Nа + из клетки и против градиента концентрации вводят в цитоплазму К + . На 3 иона Nа + , которые выводятся из клетки, внутрь вводится 2 иона К + . Перенос ионов против градиента концентрации осуществляется активным транспортом (с затратой энергии). В случае отсутствия энергии АТФ клетка погибает.
Наличие потенциала покоя позволяет клетке практически мгновенно после действия раздражителя перейти из состояния функционального покоя в состояние возбуждения.
При возбуждении происходит снижение величины исходного потенциала покоя с перезарядкой мембраны. Когда внутренний заряд мембраны становится менее отрицательным наступает деполяризация мембраны и начинает развиваться потенциал действия.
4.Потенциал действия и механизм его происхождения.
Соотношение фаз возбудимости с фазами потенциала действия.
Потенциалом действия называют быстрое колебание мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и секреторных клеток. В его основе лежат изменения ионной проницаемости мембраны. Амплитуда и характер изменений потенциала действия мало зависят от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения.
Порог раздражения – эта минимальная сила, при которой возникает минимальная ответная реакция. Для характеристики порога раздражения используется понятие реобаза (рео – ток, база – основной).
Кроме пороговых различают подпороговые раздражители, которые не могут вызвать ответной реакции, но вызывают сдвиг обмена веществ в клетке. Также существуют надрпороговые раздражители.
Возникнув, ПД распространяется вдоль мембраны, не изменяя своей амплитуды. В нем различают фазы:
1) Деполяризации:
а) медленная деполяризация;
б) быстрая деполяризация.
2) Реполяризация:
а) быстрая реполяризация;
б) медленная реполяризация (отрицательный следовой потенциал)
3) Гиперполяризация (положительный следовой потенциал)