Разнообразие и свойства ионных каналов. Биологические мембраны и ионные каналы

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

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

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

Преобразование энергии раздражителя в электрические сигналы (в рецепторах).

Высвобождение нейромедиаторов в синоптических окончаниях.

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

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

рецепторную,

ферментативную,

образуют ионные каналы,

являются мембранными насосами,

переносят ионы и молекулы.

Общее представление о структуре и функциях ионных каналов.

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

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

Классификация ионных каналов по их функциям:

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

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

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

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

3. Мембранный потенциал покоя и его происхождение.

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

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

1. Селективностью (избирательной проницаемостью)

2. Электровозбудимостью.

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

Согласно мембранно-ионной теории наличие МПП обусловлено:

непрерывным движением ионов по ионным каналам мембраны,

постоянно существующей разностью концентраций катионов по обе стороны мембраны,

непрерывной работой натрий-калиевого насоса.

различной проницаемостью каналов для этих ионов.

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

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

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

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

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

4.Потенциал действия и механизм его происхождения.

Соотношение фаз возбудимости с фазами потенциала действия.

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

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

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

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

Деполяризации:

а) медленная деполяризация;

б) быстрая деполяризация.

Реполяризация:

а) быстрая реполяризация;

б) медленная реполяризация (отрицательный следовой потенциал)

Гиперполяризация (положительный следовой потенциал)

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..

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

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.

— 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.

селективные (проницаемы только для одного вида ионов). По характеру ионов, которые они пропускают на Na+, Ca++, Cl-, K+-каналы;

неселективные (проницаемы для нескольких видов ионов);

2) По способу регуляции делятся на:

потенциалзависимые (электровозбудимые, потенциалуправляемые)

Потенциалнезависимые (хемовозбудимые, (лиганд-рецептор -зависимые), хемоуправляемые)

Механовозбудимые (механоуправляемые).

Потенциал покоя и действия. Мембранно-ионная теория происхождения потенциала покоя и действия. Местное и распространяющееся возбуждение.

Установлено, что мембрана любой живой клетки поляризована, внутренняя поверхность элетроотрицательна по отношению к наружной. Мембранный потенциал равен - (минус) 70 - (90) мв. При возбуждении происходит снижение величины исходного потенциала покоя с перезарядкой мембраны. Формирование и сохранение потенциала покоя обусловлено непрерывным движением ионов по ионным каналам мембраны, постоянно существующей разностью концентраций катионов по обе стороны мембраны, непрерывной работой натрий-калиевого насоса. За счет постоянного удаления из клетки иона натрия и активного переноса в клетку иона калия сохраняется разность концентраций ионов и поляризация мембраны. Концентрация иона калия в клетке превышает внеклеточную концентрацию в 30 - 40 раз, внеклеточная концентрация натрия примерно на порядок выше внутриклеточной. Электроотрицательность внутренней поверхности мембраны обусловлена наличием в клетке избытка анионов органических соединений, абсолютная величина потенциала покоя (мембранный потенциал, трансмембранный потенциал, равновесный калиевый потенциал) обусловлена главным образом соотношением внутри- и внеклеточной концентраций ионов калия и удовлетворительно описывается уравнением Нернста : (1)

Современная теория учитывает так же:

1) разницу концентраций ионов натрия, хлора, кальция;

2) проницаемость (Р) мембраны для каждого иона в текущий момент времени.

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

Возникновение потенциала действия (деполяризация)

I – мембранный потенциал

1 - потенциал покоя, 2-- медленная деполяризация, 3 - быстрая деполяризация, 4 - быстрая реполяризация, 5 – медленная реполяризация, 6- гиперполяризация

II - возбудимость

а – нормальная, б – повышенная, в –абсолютная рефрактерность,

г – относительная рефрактерность, д – супернормальность,

е -субнормальность

Потенциал действия (ПД) развивается при наличии исходной поляризации мембраны (потенциала покоя) благодаря изменению проницаемости ионных каналов (натриевых и калиевых). После действия раздражителя потенциал покоя уменьшается, активация каналов повышает их проницаемость для ионов натрия , который входит в клетку и обеспечивает процесс деполяризации. Поступление в клетку иона натрия уменьшает электроотрицательность внутренней поверхности мембраны, что способствует активации новых ионных натриевых каналов и дальнейшему поступлению в клетку иона натрия. Действуют силы:

а) электростатическое притяжение внутриклеточных анионных группировок;

б) концентрационный градиент ионов натрия, направленный внутрь клетки.

Пик потенциала действия обусловлен равновесием поступления в клетку ионов натрия и равным их удалением под влиянием сил отталкивания одноимённо заряженных ионов.