Строение и функции мембраны, ионные каналы и их функции, ионные градиенты. Потенциал действия и ионные каналы
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.
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.
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.
В медицинских новостях то и дело появляется информация о том, что учёные нашли очередной способ воздействия на ионные каналы — то они пытаются их активировать, то, наоборот, спешат блокировать. Например, совсем недавно были опубликовано сообщение об исследованиях профессора Тель-Авивского университета (Tel Aviv University) Майкла Гуревитца (Michael Gurevitz), который разрабатывает новое болеутоляющее на основе компонентов яда израильского жёлтого скорпиона — одного из самых опасных скорпионов в мире. Предполагается, что этот препарат будет воздействовать на натриевые каналы, которые отвечают за восприятие боли, и станет эффективным обезболевающим нового поколения. Об ионных каналах вспоминают, и когда речь заходит об онкологических заболеваниях , сердечно-сосудистых отклонениях и даже вредных пристрастиях. Так что же это за каналы и почему их работа так важна?
Клетка в дырку
Живая клетка — это не статичное образование, в ней постоянно происходит обмен веществ, ведь взаимодействие клеток друг с другом и внешней средой — необходимое условие для поддержания жизни организма. Обмен этот происходит через мембрану (оболочку) клеток, через которую при необходимости должны проникать многие элементы: ионы, аминокислоты, нуклеотиды.
Чтобы мембрана при необходимости могла быть проницаема для этих элементов, в ней есть специальные транспортные белки, которые образуют поры, своеобразные «дыры» в мембране. Эти поры представляют собой закупоренные молекулами воды каналы диаметром менее 1 нм, и эти мембранные каналы обладают относительной избирательностью по отношению к типу молекул, которые могут через них проходить. Есть, к примеру, кальциевые, натриевые, калиевые каналы — и они не пропускают другие ионы, кроме специфических. Такая избирательность канала обусловлена его зарядом и структурой.
Для проведения потока ионов через свою пору ионные каналы используют разность потенциалов. Так как возникающий при движении ионов ток можно измерить — причём даже для одиночного канала, за поведением мембранных ионных каналов легко наблюдать. Каналы спонтанно и часто открываются и закрываются. И эти переходы из одной формы в другую можно изучать методами рентгеновской дифракции , мёссбауэровской спектроскопии и ядерно-магнитного резонанса . Благодаря этим исследованиям стало ясно, что эти каналы — высокоорганизованные струтуры, не просто трубка с водой, а лабиринт быстро двигающихся электрически нейтральных и заряженных молекулярных групп.
Существуют десятки разновидностей ионных каналов. Самую большую группу составляют калиевые каналы, в которую входит около сорока видов. И каждая разновидность уникальна по своим структурным характеристикам и выполняемым функциям. Например, калиевые каналы большой проводимости (через них проходит бóльшее количество ионов калия, чем по другим каналам) состоят из круных фрагментов белка, субъединиц, свернутых в α-спираль. Их дополняют относительно короткие фрагменты, которые кроме первичной спиральной обладают также вторичной β-структурой. Они, в свою очередь, подразделяются на β-1, β-2, β-3 или β-4, каждая из которых придаёт каналу уникальные свойства. Например, β-4 делает канал устойчивым к блокатору ибериотоксину. Если же блокада канала осуществлена удачно, ток через канал проходить не будет.
Зачем вообще нужны эти высокоорганизованные «дыры» в клетках? Ионные каналы — это основа жизни. Они обеспечивают возбудимость нервной системы, передачу нервных импульсов с нерва на мышцу, секрецию гормонов. Активирование ионных каналов запускает каскады физиологических реакций, обусловливает наше мышление, работу сердечной мышцы и дыхательной диафрагмы, даже наши привязанности (например, к алкоголю) и те современные учёные склоны объяснять особенностями работы ионных каналов.
Блокирование этих важных каналов приводит к серьёзнейшим изменениям в организме. И нет ничего удивительного в том, что ионные каналы стали основной мишенью для разработки новых ядов и химического оружия. Так, один из мощнейших нервнопаралитических ядов, известных человечеству, тетродотоксин, блокирует натриевые каналы. Благодаря большим размерам молекулы тетродотоксин буквально закупоривает пору натриевого канала, так что прохождение ионов натрия через неё становится невозможным, и нервный импульс не передаётся от клетки к клетке. Мышцы замирают — ведь они подчиняются сигналам нервной системы. Токсины сходного действия, например конотоксин, находятся в арсенале змей и морских моллюсков и помогают им парализовать жертву.
Ионные каналы в медицине
В медицине сегодняшнего дня целый ряд заболеваний объясняют нарушением в работе ионных каналов. Хотя они имеют совершенно разные пути лечения, общность их причин позволило выделить их в отдельную группу. Они включают как приобретенные, так и наследственные недуги.
 В 2003 году Нобелевская премия по химии была присуждена американскому учёному Родерику Маккиннону (Roderick McKinnon) за открытие структуры ионного канала. В 1998 году ему удалось кристаллографическими методами получить трёхмерную молекулярную структуру калиевого канала бактерии Streptomyces lividans. Изображение белка появилось на обложке журнала «Science», редакция которого посчитала открытие Маккиннона одним из десяти самых выдающихся научных достижений года. Этот белок состоит из 4 субъединиц, имеющих α-спиральное строение. Через полость в центре и переносится катион калия. Иллюстрация: BNL/DoE, Rockefeller University/Roderick MacKinnon |
Например, с нарушением функции целой группы ионных каналов, включая натриевые и калиевые, связывают развитие синдрома хронической усталости . Из наследственных заболеваний, вызванных нарушением функционирования ионных каналов, можно упомянуть эпилепсию, которая вызвана сбоями в работе калиевых каналов большой проводимости. Под руководством профессора Ричарда Алдрича (Richard Aldrich) из Техасского университета в Сан-Антонио (University of Texas at San Antonio) удалось доказать, ставя опыты на трансгенных мышах , у которых был заблокирован ген KCNMB4, что при недостаточном количестве бета4 субъединиц калиевый канал неадекватно отвечает на нервное возбуждение, что приводит к конвульсиям.
С недостаточной функцией β-1 субъединицы канала связывают развитие гипертонии. Если по какой-то причине аминокислотный состав белка β-1 субъединицы не соответствует норме, то канал с такой субъединицей не в состоянии поддерживать расширение стенкок сосудов , из-за чего возникает напряжение артерий и развивается гипертония. Об этом свидетельствуют, например, исследования Ральфа Кёлера (Ralf Köhler) из Университета Южной Дании (Syddansk Universitet).
Ещё одно широко распространённое сердечно-сосудистое заболевание — синдром удлинённого QT связывают с мутациями в генах, кодирующих калиевые каналы сердечной мышцы, которое приводит к усилению активности калиевых каналов и меняет нормальный поток калия в сердечной мышце.
Нарушения функций кальциевых каналов приводят к атаксиям — состояниям, при которых невозможна координация движений.
Наконец, муковисцидоз (или фиброзно-кистозная дегенерация) — тяжелейшее заболевание дыхательной системы и желудочно-кишечного тракта наряду с другими причинами связывают с мутациями в CFTR гене, кодирующем хлорный канал.
Так что нормальное функционирование ионных каналов любого типа исключительно важно для здоровья человека.
Взять каналы на прицел!
Сегодня фармацевты активно работают над созданием препаратов, воздействующих на них. Пожалуй, одни из самых популярных из существующих подобных препаратов, — антиаритмические средства, которые нормализуют нарушенный ритм сердечных сокращений. К ним относятся так называемые «антагонисты кальция» (например, верапамил), которые препятствуют проникновению ионов кальция из межклеточного пространства в мышечные клетки сердца и сосудов через медленные кальциевые каналы L-типа. Снижая концентрацию ионов кальция в клетках сердечной мыщцы и стенках сосудов, антагонисты кальция расширяют коронарные и периферические артерии.
Активаторы калиевых каналов (икорандил, миноксидил, диазоксид, пинацидил) тоже вызывают расширение коронарных сосудов и сосудов в периферических органах. Воздействовать на калиевые каналы пытаются и для остановки инсультов, вызванных спазмом сосудов головного мозга.
Популярные в хирургической практике местные анестетики — лидокаин и новокаин блокируют ощущение боли путём закупорки натриевых каналов. Правда, побочный эффект этих препаратов состоит в том, что они приводят к потере не только болевой, но и тактильной чувствительности.
Однако удалось установить, что на помощь в такой ситуации могут прийти другие ионные каналы — так называемые TRP (Transient receptor potential). Это семейство каналов насчитывает множество видов, которые характеризуются слабой селективностью и пропускают большинство положительно заряженных ионов, включая натрий, кальций и магний.
Особая группа TRP каналов, которая расположена в нервных клетках, реагирующих на боль, чувствительна к присутствию активного компонента перца чили — капсаицину. Если активировать TRP каналы капсаицином, то последующее введение лидокаина будет избирательно блокировать только эти TRP каналы, то есть каналы, расположеные исключительно в болевых нейронах. Таким образом, можно будет избавиться от побочного действия обезболевающего.
Относительная простота тестирования работы ионных каналов и многообещающие результаты делают их привлекательной мишенью для фармацевтической индустрии. К тому же, многие ныне существующие препараты со временем теряют свою эффективность: организм привыкает к ним и реагирует не так, как задумывали создатели. Учёным приходится постоянно искать пути устранения различных сбоев, а ионные каналы — это, можно сказать, основа жизни. И сегодня манипуляции ими, с одной стороны, привлекают многомиллиардные инвестиции, а с другой — дают определённую надежду страдающим самыми разными недугами.
Новости партнёров
Лиганд-зависимые каналы - ионные каналы, расположенные в постсинаптической мембране в нервно-мышечных соединениях . Связывание медиатора с этими каналами с наружной стороны мембраны вызывает изменения в их конформации - каналы открываются, пропуская через мембрану ионы и тем самым изменяя мембранный потенциал . В отличие от потенциал-зависимых каналов , ответственных за возникновение потенциала действия и выделение медиатора, лиганд-зависимые каналы относительно нечувствительны к изменению мембранного потенциала и поэтому не способны к самоусиливающемуся возбуждению типа "все или ничего". Вместо этого они генерируют электрический сигнал, сила которого зависит от интенсивности и продолжительности внешнего химического сигнала, т.е. от того, сколько медиатора выводится в синаптическую щель и как долго он там остается.
Рецепторы, связанные с каналами, специфичны, подобно ферментам, лишь по отношению к определенным лигандам и поэтому отвечают на воздействие только одного медиатора - того, который высвобождается из пресинаптического окончания, другие медиаторы не оказывают никакого эффекта.
Для каналов разного типа характерна различная ионная специфичность: одни могут избирательно пропускать ионы натрия , другие - калия и т.д., могут быть и такие, которые мало избирательны по отношению к различным катионам, но не пропускают анионы. Однако ионная специфичность постоянна для данной постсинаптической мембраны : обычно все каналы в синапсе обладают одной и той же избирательностью.
Из всех лиганд-зависимых ионных каналов наиболее изучен Никотиновый ацетилхолиновый рецептор .
Известно много других типов МК, они активируются различными медиаторами (серотонином, глицином, гамма-аминомасляный кислотой - ГАМК и т.д.) и все эти основные типы МК подразделяются на множество подтипов. Что касается сенсорных систем, наиболее важные МК, обнаруженнык в обонятельных и фоторецепторных клетках, чувствительны к циклическим нуклеотидам (ЦНЗ). Структура ЦНЗ-воротных каналов будет описана. В отличие от н-АХР-каналов, белок субъединицы образует 6 трансмембранных сегментов, а целый канал состоит из четырех субъединиц.
