Kanály buněčných membrán. Struktura a funkce membrán, iontové kanály a jejich funkce, iontové gradienty
12. Iontové kanály…
Iontový kanál se skládá z několika podjednotek, jejich počet v jednom iontovém kanálu se pohybuje od 3 do 12 podjednotek. Svou organizací mohou být podjednotky obsažené v kanálu homologní (stejného typu), řada kanálů je tvořena podjednotkami různých typů.
Každá z podjednotek se skládá z několika (tří nebo více) transmembránových segmentů (nepolární části stočené do α-helixů), extra- a intracelulárních smyček a koncových úseků domén (reprezentovaných polárními oblastmi molekul, které tvoří doménu a vyčnívají za bilipidovou vrstvou membrány).
Každý z transmembránových segmentů, extra- a intracelulárních smyček a koncových úseků domén plní svou vlastní funkci.
Transmembránový segment 2, organizovaný ve formě a-šroubovice, tedy určuje selektivitu kanálu.
Koncové oblasti domény fungují jako senzory pro extra- a intracelulární ligandy a jeden z transmembránových segmentů hraje roli senzoru závislého na napětí.
Třetí transmembránové segmenty v podjednotce jsou zodpovědné za provoz systému portálových kanálů atd.
Iontové kanály fungují mechanismem usnadněné difúze. Když jsou kanály aktivovány, pohyb iontů podél nich sleduje koncentrační gradient. Rychlost pohybu membránou je 10 iontů za sekundu.
Specifičnost iontových kanálů.
Většina z nich je selektivní, tzn. kanály, které umožňují průchod pouze jednomu typu iontů (sodíkové kanály, draslíkové kanály, vápníkové kanály, aniontové kanály).
kanálová selektivita.
Selektivita kanálu je určena přítomností selektivního filtru.
Jeho roli hraje počáteční úsek kanálu, který má určitý náboj, konfiguraci a velikost (průměr), což umožňuje průchod pouze určitého typu iontů do kanálu.
Některé z iontových kanálů jsou neselektivní, jako jsou „únikové“ kanály. Jedná se o membránové kanály, kterými v klidu, podél koncentračního gradientu, ionty K + opouštějí buňku, těmito kanály se však do buňky v klidu podél koncentračního gradientu dostává také malé množství iontů Na +.
Snímač iontového kanálu.
Snímač iontového kanálu je citlivá část kanálu, která vnímá signály, jejichž povaha může být různá.
Na tomto základě existují:
napěťově řízené iontové kanály;
receptorem řízené iontové kanály;
ligandem řízené (ligand-dependentní);
mechanicky ovládané (mechanicky závislé).
Kanály, které mají senzor, se nazývají řízené. Některé kanály nemají senzor. Takové kanály se nazývají nespravované.
Systém brány iontového kanálu.
Kanál má bránu, která je v klidu uzavřena a otevře se, když je přiveden signál. V některých kanálech se rozlišují dva typy hradel: aktivace (m-gates) a inaktivace (h-gates).
Existují tři stavy iontových kanálů:
klidový stav, kdy je brána zavřená a kanál je pro ionty nepřístupný;
stav aktivace, kdy je systém brány otevřený a ionty se pohybují membránou podél kanálu;
stav inaktivace, kdy je kanál uzavřen a nereaguje na podněty.
Rychlost vedení (vodivost).
Existují rychlé a pomalé kanály. Únikové kanály jsou pomalé, sodíkové kanály v neuronech rychlé.
V membráně každé buňky je velký soubor různých (z hlediska rychlosti) iontových kanálů, jejichž aktivace určuje funkční stav buněk.
napěťově řízené kanály.
Potenciálně řízený kanál se skládá z:
selektivní filtr;
aktivační a deaktivační brány;
senzor napětí.
póry naplněné vodou;
Průměr kanálu je mnohem větší než průměr iontů, v zóně selektivního filtru se zužuje na atomární velikosti, což zajišťuje, že tato část kanálu plní funkci selektivního filtru.
K otevírání a zavírání hradlového mechanismu dochází, když se změní membránový potenciál a brána se otevírá při jedné hodnotě membránového potenciálu a zavírá při jiné úrovni membránového potenciálu.
Předpokládá se, že změna elektrického pole membrány je vnímána speciální částí stěny kanálu, která se nazývá snímač napětí.
Změna jeho stavu v důsledku změny úrovně membránového potenciálu způsobí konformaci proteinových molekul, které tvoří kanál, a v důsledku toho vede k otevření nebo uzavření brány iontového kanálu.
Kanály (sodík, vápník, draslík) mají čtyři homologní domény - podjednotky (I, II, III, IV). Doména (například sodíkové kanály) se skládá ze šesti transmembránových segmentů organizovaných ve formě a-helixů, z nichž každý hraje svou vlastní roli.
Transmembránový segment 5 tedy hraje roli póru, transmembránový segment 4 je senzor, který reaguje na změny membránového potenciálu, a další transmembránové segmenty jsou zodpovědné za aktivaci a inaktivaci systému portálových kanálů. Doposud nebyla studována role jednotlivých transmembránových segmentů a podjednotek.
Sodíkové kanály (vnitřní průměr 0,55 nm) jsou přítomny v buňkách excitabilních tkání. Hustota na 1 µm 2 v různých tkáních není stejná.
Takže v nemyelinizovaných nervových vláknech je to 50-200 kanálů a v myelinizovaných nervových vláknech (Ranvier intercepts) - 13 000 na 1 mikron 2 plochy membrány. V klidu jsou zavřené. Membránový potenciál je 70-80 mV.
Vystavení stimulu mění membránový potenciál a aktivuje napěťově řízený sodíkový kanál.
Je aktivován, když se membránový potenciál posune z hladiny klidového potenciálu ke kritické úrovni depolarizace.
Silný sodíkový proud zajišťuje posun membránového potenciálu na kritickou úroveň depolarizace (CDL).
Změna membránového potenciálu až -50-40 mV, tzn. na úroveň kritické úrovně depolarizace, způsobí otevření dalších napěťově závislých Na+ kanálů, kterými je veden příchozí sodíkový proud, který tvoří "vrchol" akčního potenciálu.
Sodné ionty se pohybují do buňky podél koncentračního gradientu a chemického gradientu kanálem a tvoří tzv. příchozí sodíkový proud, což vede k dalšímu rychlému rozvoji depolarizačního procesu.
Membránový potenciál mění znaménko na opačné +10-20 mV. Pozitivní membránový potenciál způsobuje uzavření sodíkových kanálů a jejich inaktivaci.
Potenciálně závislé Na+ kanály hrají vedoucí roli při tvorbě akčního potenciálu, tzn. proces excitace v buňce.
Ionty vápníku brání otevření napěťově řízených sodíkových kanálů změnou parametrů odezvy.
NA + -kanály
Draslíkové kanály (vnitřní průměr 0,30 nm) jsou přítomny v cytoplazmatických membránách, bylo nalezeno značné množství kanálků pro „únik“ draslíku z buňky.
V klidu jsou otevřené. Přes ně v klidu draslík „uniká“ z buňky podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
Tento proces se označuje jako odcházející draslíkový proud, který vede k vytvoření klidového membránového potenciálu (-70-80 mV). Tyto draslíkové kanály lze pouze podmíněně klasifikovat jako závislé na napětí.
Když se membránový potenciál během depolarizace změní, draslíkový proud je inaktivován.
Během repolarizace se přes napěťově závislé kanály tvoří příchozí K + proud, který se nazývá K + proud zpožděného usměrnění.
Jiný typ napěťově řízených K + -kanálů. Podél nich v podprahové oblasti membránového potenciálu vzniká rychlý vnější proud draslíku (pozitivní stopový potenciál). K inaktivaci kanálu dochází v důsledku hyperpolarizace stopy.
Jiný typ napěťově řízených draslíkových kanálů se aktivuje až po předběžné hyperpolarizaci, tvoří rychlý přechodný draslíkový proud, který se rychle inaktivuje.
Ionty vápníku usnadňují otevírání napěťově řízených draslíkových kanálů změnou parametrů odezvy.
so + -kanály.
Potenciálně řízené kanály významně přispívají jak k regulaci vstupu vápníku do cytoplazmy, tak k elektrogenezi.
Proteiny, které tvoří vápníkové kanály, se skládají z pěti podjednotek (al, a2, b, g, d).
Hlavní podjednotka al tvoří samotný kanál a obsahuje vazebná místa pro různé modulátory vápníkového kanálu.
V nervových buňkách savců (označených A, B, C, D a E) bylo nalezeno několik strukturně odlišných al-podjednotek vápníkového kanálu.
Funkčně se různé typy kalciových kanálů od sebe liší aktivací, kinetikou, jednokanálovou vodivostí a farmakologií.
V buňkách bylo popsáno až šest typů napěťově řízených vápníkových kanálů (T-, L-, N-, P-, Q-, R- kanály).
Aktivita napěťově řízených kanálů plazmatické membrány je regulována různými intracelulárními druhými posly a membránově vázanými G-proteiny.
Kanály řízené napětím vápníku se nacházejí v ve velkém počtu v cytoplazmatických membránách neuronů, myocytech hladkých, příčně pruhovaných a srdečních svalů a v membránách endoplazmatického retikula.
Ca2+-kanály SPR jsou oligomerní proteiny vložené do membrány SPR.
so 2+ - ovládal Sa 2+ - SPR kanály.
Tyto vápníkové kanály byly nejprve izolovány z kosterních a srdečních svalů.
Ukázalo se, že Ca 2+ -kanály SPR v těchto svalových tkáních mají molekulární rozdíly a jsou kódovány různými geny.
Ca 2+ -kanály SPR v srdečních svalech jsou přímo propojeny s vysokoprahovými Ca 2+ -kanály plazmatické membrány (L-typ) prostřednictvím proteinů vázajícího vápník a tvoří tak funkčně aktivní strukturu - "triádu".
V kosterních svalech depolarizace plazmalemy přímo aktivuje uvolňování Ca 2+ z endoplazmatického retikula v důsledku skutečnosti, že Ca 2+ kanály plazmatické membrány slouží jako napěťově citlivé přenašeče aktivačního signálu přímo do Ca 2+ kanálů SPR prostřednictvím vazebných proteinů.
Depoty Ca2+ kosterních svalů tedy mají mechanismus uvolňování Ca2+ indukovaný depolarizací (typ RyRl).
Na rozdíl od kosterních svalů nejsou endoplazmatické Ca 2+ kanály kardiomyocytů spojeny s plazmatickou membránou a stimulace uvolňování Ca 2+ z depa vyžaduje zvýšení koncentrace cytosolického vápníku (typ RyR2).
Kromě těchto dvou typů Ca 2+-aktivovaných Ca 2h kanálů byl nedávno identifikován třetí typ Ca 2+ SPR kanálů (typ RyR3), který dosud nebyl dostatečně prozkoumán.
Všechny vápníkové kanály se vyznačují pomalou aktivací a pomalou inaktivací ve srovnání se sodíkovými kanály.
Při depolarizaci svalové buňky (výběžky cytoplazmatických membrán - T-tubuly se přibližují k membránám endoplazmatického retikula) dochází k napěťově závislému otevírání vápníkových kanálků membrán sarkoplazmatického retikula.
Protože na jedné straně je koncentrace vápníku v SPR vysoká (zásobník vápníku) a koncentrace vápníku v cytoplazmě je nízká a na druhé straně plocha membrány SPR a hustota vápníku kanály v něm jsou velké, hladina vápníku v cytoplazmě se zvyšuje 100krát.
Toto zvýšení koncentrace vápníku iniciuje proces kontrakce myofibril.
Kalciové kanály v kardiomyocytech jsou umístěny v cyto plazmatická membrána a jsou to vápníkové kanály typu L.
Jsou aktivovány při membránovém potenciálu +20-40 mV, tvoří příchozí vápníkový proud. Jsou dlouhodobě v aktivovaném stavu, tvoří „plató“ akčního potenciálu kardiomyocytů.
aniontové kanály.
Největší počet kanálů pro chlór v buněčné membráně. Ve srovnání s mezibuněčným prostředím je v buňce méně chloridových iontů. Proto, když se kanály otevřou, chlor vstupuje do článku podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
Počet kanálů pro HCO 3 není tak velký, objem transportu tohoto aniontu kanály je mnohem menší.
iontoměničů.
Membrána obsahuje iontoměniče (nosné proteiny), které provádějí usnadněnou difúzi iontů, tzn. zrychlený spojený pohyb iontů přes biomembránu podél koncentračního gradientu, takové procesy jsou nezávislé na ATP.
Nejznámější jsou výměníky Na + -H +, K + -H +, Ca 2+ -H +, dále výměníky zajišťující výměnu kationtů za aniontyNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ a výměníky, které zajišťují výměnu kationtu za kation (Na + -Ca 2+) nebo aniont za anion (Cl- HCO3).
Iontové kanály řízené receptorem.
Ligand-gated (ligand-gated) iontové kanály.
Ligandem řízené iontové kanály jsou poddruhem receptorově řízených kanálů a jsou vždy kombinovány s receptorem pro biologicky aktivní látku (BAS).
Receptory uvažovaných kanálů patří k ionotropnímu typu membránových receptorů, při interakci s biologicky aktivními látkami (ligandy) dochází k rychlým reakcím.
Iontový kanál s ligandem se skládá z:
póry naplněné vodou;
selektivní filtr;
aktivační brána;
vazebné místo pro ligand (receptor). Vysokoenergetický aktivní BAS má vysokou
afinita (afinita) k určitému typu receptoru. Když jsou aktivovány iontové kanály, určité ionty se pohybují podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
V membránovém receptoru může být vazebné místo pro ligand přístupné pro ligand z vnějšího povrchu membrány.
V tomto případě hormony a parahormony, ionty působí jako ligand.
Takže když jsou aktivovány N-cholinergní receptory, aktivují se sodíkové kanály.
Propustnost vápníku je iniciována neuronálními acetylcholinovými, glutamátovými (NMDA a AMPA/kainattypy) receptory a purinovými receptory.
Receptory GABAA jsou spojeny s iontovými chloridovými kanály a glycinové receptory jsou také spojeny s chloridovými kanály.
V membránovém receptoru může být vazebné místo ligandu přístupné pro ligandy z vnitřního povrchu membrány.
V tomto případě proteinkinázy aktivované druhými posly nebo druhými posly samotnými působí jako ligandy.
Takže proteinkinázy A, C, G fosforylací proteinů kationtových kanálů mění svou permeabilitu.
Mechanicky ovládané iontové kanály.
Mechanicky řízené iontové kanály mění svou vodivost pro ionty buď změnou napětí bilipidové vrstvy nebo prostřednictvím buněčného cytoskeletu. Mnoho mechanicky řízených kanálů je spojeno s mechanoreceptory; existují ve sluchových buňkách, svalových vřeténech a vaskulárním endotelu.
Všechny mechanicky ovládané kanály jsou rozděleny do dvou skupin:
natažením aktivované buňky (SAC);
natažením inaktivované buňky (SIC).
Mechanicky ovládané kanály mají všechny hlavní vlastnosti kanálu:
póry naplněné vodou;
mechanismus brány;
senzor natažení.
Když je kanál aktivován, ionty se pohybují podél koncentračního gradientu podél něj.
ATPáza sodíku, draslíku.
Sodná, draselná ATPáza (sodno-draslíková pumpa, sodno-draselná pumpa).
Skládá se ze čtyř transmembránových domén: dvou α-podjednotek a dvou β-podjednotek. α-podjednotka je velká doména a β-podjednotka je malá. Během transportu iontů jsou velké podjednotky fosforylovány a ionty se jimi pohybují.
ATPáza sodíku a draslíku hraje klíčovou roli při udržování homeostázy sodíku a draslíku v intra- a extracelulárním prostředí:
podporuje vysoká úroveň K + a nízké hladiny Na + v buňce;
podílí se na tvorbě klidového membránového potenciálu, na tvorbě akčního potenciálu;
zajišťuje Na + konjugovaný transport většiny organických látek přes membránu (sekundární aktivní transport);
významně ovlivňuje homeostázu H2O.
Sodík, draselná ATPáza, má nejdůležitější podíl na tvorbě iontové asymetrie v extra- a intracelulárních prostorech.
Fázovaná práce sodíkové a draslíkové pumpy zajišťuje neekvivalentní výměnu draslíku a sodíku přes membránu.
so + -ATPase (čerpadlo).
Existují dvě rodiny Ca 2+ pump odpovědných za eliminaci Ca 2+ iontů z cytoplazmy: Ca 2+ pumpy plazmatické membrány a Ca 2+ pumpy endoplazmatického retikula.
Přestože patří do stejné rodiny proteinů (tzv. P-třída ATPáz), tyto pumpy vykazují určité rozdíly ve struktuře, funkční aktivitě a farmakologii.
Nachází se ve velkém množství v cytoplazmatické membráně. V cytoplazmě buňky v klidu je koncentrace vápníku 10-7 mol/l a mimo buňku je to mnohem více -10-3 mol/l.
Takový významný rozdíl v koncentracích je udržován díky práci cytoplazmatické Ca++-ATPázy.
Činnost Ca 2+ -pumpy plazmatické membrány je přímo řízena Ca 2+ : zvýšení koncentrace volného vápníku v cytosolu aktivuje Ca 2+ -pumpu.
V klidu k difúzi přes vápníkové iontové kanály téměř nedochází.
Ca-ATPáza transportuje Ca z buňky do extracelulárního prostředí proti jeho koncentračnímu gradientu. Podél gradientu vstupuje Ca + do buňky v důsledku difúze iontovými kanály.
Membrána endoplazmatického retikula obsahuje také velké množství Ca++-ATPázy.
Kalciová pumpa endoplazmatického retikula (SERCA) zajišťuje odvod vápníku z cytosolu do endoplazmatického retikula – „depot“ vápníku díky primárnímu aktivnímu transportu.
V depu se vápník váže na proteiny vázající vápník (calsekvestrin, calreticulin atd.).
Dosud byly popsány alespoň tři různé izoformy čerpadel SERCA.
Podtyp SERCA1 se koncentruje výhradně v rychlých kosterních svalech, zatímco pumpy SERCA2 jsou rozšířeny v jiných tkáních. Význam čerpadel SERCA3 je méně jasný.
Proteiny SERCA2-nacos se dělí na dvě různé izoformy: SERCA2a, charakteristické pro kardiomyocyty a hladké svaly, a SERCA2b, charakteristické pro mozkové tkáně.
Zvýšení Ca 2+ v cytosolu aktivuje vychytávání vápenatých iontů do endoplazmatického retikula, zatímco zvýšení volného vápníku v endoplazmatickém retikulu inhibuje SERCA pumpy.
H + K + -ATPáza (pumpa).
Pomocí této pumpy (v důsledku hydrolýzy jedné molekuly ATP) jsou ve výstelkových (parietálních) buňkách žaludeční sliznice transportovány dva draselné ionty z extracelulárního prostoru do buňky a dva ionty H + z cytosolu. do extracelulárního prostoru při hydrolýze jedné molekuly. Tento mechanismus je základem tvorby kyseliny chlorovodíkové v žaludku.
Třída iontové pumpyF.
Mitochondriální ATPáza. Katalyzuje poslední krok syntézy ATP. Mitochondriální krypty obsahují ATP syntázu, která spojuje oxidaci v Krebsově cyklu a fosforylaci ADP na ATP.
Třída iontové pumpyPROTI.
Lysozomální H + -ATPáza (lysozomální protonové pumpy) - protonové pumpy, které zajišťují transport H + z cytosolu do řady lysozomálních organel, Golgiho aparát, sekreční váčky. V důsledku toho klesá hodnota pH např. u lysozomů na 5,0, což optimalizuje aktivitu těchto struktur.
Vlastnosti iontového transportu
1. Významná a asymetrická transmembrána! gradient pro Na+ a K+ v klidu.
Sodíku mimo buňku (145 mmol/l) je 10x více než v buňce (14 mmol/l).
V buňce je asi 30x více draslíku (140 mmol/l) než mimo buňku (4 mmol/l).
Tato vlastnost distribuce iontů sodíku a draslíku:
homeostatizováno prací Na + /K + -nacoca;
tvoří v klidu odcházející draslíkový proud (únikový kanál);
vytváří klidový potenciál;
práce jakýchkoli draslíkových kanálů (závislých na napětí, na vápníku, na ligandu) je zaměřena na tvorbu odcházejícího draslíkového proudu.
To buď vrátí stav membrány na původní úroveň (aktivace napěťově závislých kanálů ve fázi repolarizace), nebo membránu hyperpolarizuje (kanály závislé na vápníku, ligandy, včetně těch aktivovaných systémy druhých mediátorů).
Je třeba mít na paměti, že:
pohyb draslíku přes membránu se provádí pasivním transportem;
tvorba excitace (akčního potenciálu) je vždy způsobena příchozím sodíkovým proudem;
aktivace jakýchkoli sodíkových kanálů vždy způsobí vnitřní sodíkový proud;
pohyb sodíku přes membránu se téměř vždy uskutečňuje pasivním transportem;
v epiteliálních buňkách, které tvoří stěnu různých trubic a dutin v tkáních (tenké střevo, nefronové tubuly atd.), ve vnější membráně je vždy velké množství sodíkových kanálů, které při aktivaci zajišťují příchozí sodíkový proud, a ve vnější membráně bazální membrána – velké množství sodíkových, draselných pump, které odčerpávají sodík z buňky. Toto asymetrické rozdělení těchto dopravní systémy neboť sodík zajišťuje jeho transcelulární přenos, tzn. ze střevního lumen, renálních tubulů do vnitřního prostředí těla;
pasivní transport sodíku do buňky po elektrochemickém gradientu vede k akumulaci energie, která se využívá pro sekundární aktivní transport mnoha látek.
2. Nízká hladina vápníku v cytosolu buňky.
V buňce v klidu je obsah vápníku (50 nmol/l) 5000krát nižší než mimo buňku (2,5 mmol/l).
Takto nízká hladina vápníku v cytosolu není náhodná, protože vápník v koncentracích 10–100krát vyšších, než je výchozí, působí jako druhý intracelulární mediátor při realizaci signálu.
Za takových podmínek je to možné rychlý nárůst vápníku v cytosolu v důsledku aktivace vápníkových kanálů (usnadněná difúze), které jsou ve velkém množství přítomny v cytoplazmatické membráně a v membráně endoplazmatického retikula (endoplazmatické retikulum – „depot“ vápníku v buňce).
Tvorba toků vápníku, ke kterému dochází v důsledku otevření kanálů, poskytuje fyziologicky významné zvýšení koncentrace vápníku v cytosolu.
Nízká úroveň vápník v cytosolu buňky je udržován Ca 2+ -ATPázou, Na + /Ca 2+ -výměníky, vápník vázající proteiny cytosolu.
Kromě rychlé vazby cytosolického Ca 2+ intracelulárními proteiny vázajícími Ca 2+ mohou být ionty vápníku vstupující do cytosolu akumulovány Golgiho aparátem nebo buněčným jádrem a zachyceny mitochondriálními depoty Ca 2+.
3. Nízká hladina chlóru v článku.
V článku v klidu je obsah chloru (8 mmol/l) více než 10x nižší než mimo článek (110 mmol/l).
Tento stav je udržován provozem transportéru K + /Cl-.
Změna funkčního stavu článku je spojena (nebo způsobena) se změnou propustnosti membrány pro chlór. Po aktivaci chloridových kanálů řízených napětím a ligandem vstupuje ion do cytosolu kanálem pasivním transportem.
Vstup chloru do cytosolu je navíc tvořen kotransportérem Na+/K+/2CH a výměníkem CG-HCO3.
Vstup chlóru do článku zvyšuje polaritu membrány až k hyperpolarizaci.
Vlastnosti iontového transportu hrají zásadní roli při vzniku bioelektrických jevů v orgánech a tkáních, které kódují informace, určují funkční stav těchto struktur, jejich přechod z jednoho funkčního stavu do druhého.
Podle moderních koncepcí tvoří biologické membrány vnější obal všech živých buněk. Jedním z hlavních strukturálních rysů je, že membrány vždy tvoří uzavřené prostory. Tato skutečnost jim pomáhá vykonávat nejdůležitější funkce:
Bariéra (vytvoření koncentračních gradientů, které brání volné difúzi látek). Tím je zajištěno vytvoření klidového potenciálu, vytvoření akčního potenciálu.
Regulační (jemná regulace intracelulárního obsahu a intracelulárních reakcí díky příjmu biologicky aktivních látek, což vede ke změně aktivity membránových enzymatických systémů a spuštění mechanismů sekundárních poslů (mediátorů).
Transformace stimulační energie na elektrické signály (v receptorech).
Uvolňování neurotransmiterů v synoptických zakončeních.
Chemická analýza ukázala, že membrány se skládají hlavně z lipidů a proteinů, jejichž množství se liší odlišné typy buňky. V současnosti nejuznávanější fluidně-mozaikový model buněčné membrány.
Podle tohoto modelu je membrána reprezentována dvojvrstvou fosfolipidových molekul. V tomto případě jsou hydrofobní konce molekul uvnitř dvojvrstvy a hydrofilní konce směřují do vodné fáze, což přispívá k vytvoření separace dvou fází: extra- a intracelulární. Ve fosfolipidové dvojvrstvě jsou integrovány globulární proteiny, jejichž polární oblasti tvoří ve vodné fázi hydrofilní povrch. Tyto integrované proteiny plní různé funkce:
receptor,
enzymatický,
tvoří iontové kanály
jsou membránová čerpadla,
přenášejí ionty a molekuly.
Obecná představa o struktuře a funkcích iontových kanálů.
Iontové kanály jsou speciální útvary v buněčné membráně, což jsou oligomerní (skládající se z několika podjednotek) proteiny. Centrálním útvarem kanálku je molekula proteinu, která proniká membránou tak, že v jejím hydrofilním středu se vytvoří kanálek-pór, kterým jsou schopny pronikat sloučeniny, jejichž průměr nepřesahuje průměr póru (obvykle ionty). proniknout do buňky.
Kolem hlavní podjednotky kanálu je systém několika podjednotek, které tvoří místa pro interakci s membránovými regulačními proteiny, různými mediátory a farmakologicky aktivními látkami.
Klasifikace iontových kanálů podle jejich funkcí:
1) podle počtu iontů, pro které je kanál propustný, se kanály dělí na selektivní (propustné pouze pro jeden typ iontů) a neselektivní (propustné pro několik typů iontů);
2) podle povahy iontů přecházejí do Na+, Ca++, Cl-, K+-kanálků;
3) podle způsobu regulace se dělí na potenciálově závislé a potenciálně nezávislé. Kanálky závislé na potenciálu reagují na změny potenciálu buněčné membrány, a když potenciál dosáhne určité hodnoty, kanál se stane aktivním a začne propouštět ionty podél jejich koncentračního gradientu. Sodíkové a rychlé vápníkové kanály jsou tedy napěťově závislé, k jejich aktivaci dochází, když membránový potenciál klesne na -50-60 mV, zatímco tok iontů Na + a Ca++ do buňky způsobí pokles klidového potenciálu a generace AP. Draslíkové napěťově řízené kanály jsou aktivovány během vývoje AP a poskytující proud K+ iontů z buňky způsobují repolarizaci membrány.
Potenciálně nezávislé kanály nereagují na změnu membránového potenciálu, ale na interakci receptorů, se kterými jsou propojeny, a jejich ligandů. Cl - kanály jsou tedy spojeny s receptory kyseliny g-aminomáselné, a když s ní tyto receptory interagují, jsou aktivovány a poskytují proud chloridových iontů do buňky, což způsobuje její hyperpolarizaci a snížení excitability.
3. Klidový membránový potenciál a jeho původ.
období „membránový potenciál odpočinek » Je obvyklé nazývat transmembránový potenciálový rozdíl, který existuje mezi cytoplazmou a vnějším roztokem obklopujícím buňku. Když je buňka (vlákno) ve stavu fyziologického klidu, její vnitřní náboj je záporný ve vztahu k vnějšímu, konvenčně braný jako nulový. V různých tkáních je membránový potenciál charakterizován různými hodnotami: největší ve svalové tkáni je -80-90 mV, v nervové tkáni -70 mV, v pojivové tkáni -35-40 mV, v epiteliální tkáni -20 mV.
Tvorba MPP závisí na koncentraci iontů K +, Na +, Ca 2+, Cl - a na strukturních vlastnostech buněčné membrány. Zejména iontové kanály přítomné v membráně mají následující vlastnosti:
1. Selektivita (selektivní permeabilita)
2. Elektrická excitabilita.
V klidu jsou všechny sodíkové kanály uzavřeny a většina draslíkových kanálů je otevřená. Kanály se mohou otevírat a zavírat. Membrána obsahuje únikové kanály(nespecifické), které jsou propustné pro všechny prvky, ale propustnější pro draslík. Draslíkové kanály jsou vždy otevřené a ionty se těmito kanály pohybují podél koncentračního a elektrochemického gradientu.
Podle teorie membránových iontů je přítomnost MPP způsobena:
nepřetržitý pohyb iontů přes iontové kanály membrány,
neustále existující rozdíl v koncentracích kationtů na obou stranách membrány,
nepřetržitý provoz sodíkovo-draslíkového čerpadla.
rozdílná propustnost kanálů pro tyto ionty.
V buňce je mnoho K + iontů, venku je jich málo, Na + - naopak mimo buňku je mnoho a v buňce málo. Vně buňky je o něco více Cl iontů než uvnitř. Uvnitř buňky je mnoho organických aniontů, které hlavně poskytují negativní náboj vnitřnímu povrchu membrány.
V klidu je buněčná membrána propustná pouze pro ionty K +. Draselné ionty se v klidu neustále uvolňují do prostředí, kde je vysoká koncentrace Na +. Proto je v klidu vnější povrch membrány kladně nabitý. Vysokomolekulární organické anionty (proteiny) se koncentrují na vnitřním povrchu membrány a určují její záporný náboj. Elektrostaticky zadržují ionty K + na druhé straně membrány. Hlavní roli při tvorbě MPP mají K ionty + .
I přes toky iontů přes únikové kanály se rozdíl v koncentraci iontů nevyrovnává, tzn. je vždy udržován konstantní. To se nestane, protože v membránách jsou čerpadla Na + - K + -. Nepřetržitě pumpují Na + z buňky a vstřikují K + do cytoplazmy proti koncentračnímu gradientu. Pro 3 Na + ionty, které jsou odstraněny z buňky, jsou dovnitř zavedeny 2 K + ionty. Přenos iontů proti koncentračnímu gradientu se uskutečňuje aktivním transportem (s vynaložením energie). Při nedostatku energie ATP buňka odumírá.
Přítomnost klidového potenciálu umožňuje buňce téměř okamžitě po působení podnětu přejít ze stavu funkčního klidu do stavu excitace.
Při excitaci dochází k poklesu hodnoty počátečního klidového potenciálu s dobíjením membrány. Když se vnitřní náboj membrány stane méně negativním, membrána se depolarizuje a začne se vyvíjet akční potenciál.
4. Akční potenciál a mechanismus jeho vzniku.
Poměr fází excitability k fázím akčního potenciálu.
akční potenciál tzv. rychlé kolísání membránového potenciálu, ke kterému dochází při excitaci nervových, svalových a sekrečních buněk. Je založena na změnách iontové permeability membrány. Amplituda a povaha změn akčního potenciálu závisí jen málo na síle podnětu, který jej způsobuje, důležité je pouze to, aby tato síla nebyla menší než určitá kritická hodnota, která se nazývá práh podráždění.
Práh podráždění- toto je minimální síla, při které je minimální odezva. Pro charakterizaci prahu podráždění se používá koncept reobáze(reo - aktuální, základna - hlavní).
Kromě prahu existují podprahové podněty, které nemohou vyvolat odezvu, ale způsobit posun v metabolismu v buňce. Jsou tu také nadprahové podněty.
Po vzniku se AP šíří podél membrány, beze změny její amplituda. Má fáze:
Depolarizace:
a) pomalá depolarizace;
b) rychlá depolarizace.
Repolarizace:
a) rychlá repolarizace;
b) pomalá repolarizace (negativní stopový potenciál)
Hyperpolarizace (pozitivní stopový potenciál)
12. Iontové kanály…
Iontový kanál se skládá z několika podjednotek, jejich počet v jednom iontovém kanálu se pohybuje od 3 do 12 podjednotek. Svou organizací mohou být podjednotky obsažené v kanálu homologní (stejného typu), řada kanálů je tvořena podjednotkami různých typů.
Každá z podjednotek se skládá z několika (tří nebo více) transmembránových segmentů (nepolární části stočené do α-helixů), extra- a intracelulárních smyček a koncových úseků domén (reprezentovaných polárními oblastmi molekul, které tvoří doménu a vyčnívají za bilipidovou vrstvou membrány).
Každý z transmembránových segmentů, extra- a intracelulárních smyček a koncových úseků domén plní svou vlastní funkci.
Transmembránový segment 2, organizovaný ve formě a-šroubovice, tedy určuje selektivitu kanálu.
Koncové oblasti domény fungují jako senzory pro extra- a intracelulární ligandy a jeden z transmembránových segmentů hraje roli senzoru závislého na napětí.
Třetí transmembránové segmenty v podjednotce jsou zodpovědné za provoz systému portálových kanálů atd.
Iontové kanály fungují mechanismem usnadněné difúze. Když jsou kanály aktivovány, pohyb iontů podél nich sleduje koncentrační gradient. Rychlost pohybu membránou je 10 iontů za sekundu.
Specifičnost iontových kanálů.
Většina z nich je selektivní, tzn. kanály, které umožňují průchod pouze jednomu typu iontů (sodíkové kanály, draslíkové kanály, vápníkové kanály, aniontové kanály).
kanálová selektivita.
Selektivita kanálu je určena přítomností selektivního filtru.
Jeho roli hraje počáteční úsek kanálu, který má určitý náboj, konfiguraci a velikost (průměr), což umožňuje průchod pouze určitého typu iontů do kanálu.
Některé z iontových kanálů jsou neselektivní, jako jsou „únikové“ kanály. Jedná se o membránové kanály, kterými v klidu, podél koncentračního gradientu, ionty K + opouštějí buňku, těmito kanály se však do buňky v klidu podél koncentračního gradientu dostává také malé množství iontů Na +.
Snímač iontového kanálu.
Snímač iontového kanálu je citlivá část kanálu, která vnímá signály, jejichž povaha může být různá.
Na tomto základě existují:
napěťově řízené iontové kanály;
receptorem řízené iontové kanály;
ligandem řízené (ligand-dependentní);
mechanicky ovládané (mechanicky závislé).
Kanály, které mají senzor, se nazývají řízené. Některé kanály nemají senzor. Takové kanály se nazývají nespravované.
Systém brány iontového kanálu.
Kanál má bránu, která je v klidu uzavřena a otevře se, když je přiveden signál. V některých kanálech se rozlišují dva typy hradel: aktivace (m-gates) a inaktivace (h-gates).
Existují tři stavy iontových kanálů:
klidový stav, kdy je brána zavřená a kanál je pro ionty nepřístupný;
stav aktivace, kdy je systém brány otevřený a ionty se pohybují membránou podél kanálu;
stav inaktivace, kdy je kanál uzavřen a nereaguje na podněty.
Rychlost vedení (vodivost).
Existují rychlé a pomalé kanály. Únikové kanály jsou pomalé, sodíkové kanály v neuronech rychlé.
V membráně každé buňky je velký soubor různých (z hlediska rychlosti) iontových kanálů, jejichž aktivace určuje funkční stav buněk.
napěťově řízené kanály.
Potenciálně řízený kanál se skládá z:
selektivní filtr;
aktivační a deaktivační brány;
senzor napětí.
póry naplněné vodou;
Průměr kanálu je mnohem větší než průměr iontů, v zóně selektivního filtru se zužuje na atomární velikosti, což zajišťuje, že tato část kanálu plní funkci selektivního filtru.
K otevírání a zavírání hradlového mechanismu dochází, když se změní membránový potenciál a brána se otevírá při jedné hodnotě membránového potenciálu a zavírá při jiné úrovni membránového potenciálu.
Předpokládá se, že změna elektrického pole membrány je vnímána speciální částí stěny kanálu, která se nazývá snímač napětí.
Změna jeho stavu v důsledku změny úrovně membránového potenciálu způsobí konformaci proteinových molekul, které tvoří kanál, a v důsledku toho vede k otevření nebo uzavření brány iontového kanálu.
Kanály (sodík, vápník, draslík) mají čtyři homologní domény - podjednotky (I, II, III, IV). Doména (například sodíkové kanály) se skládá ze šesti transmembránových segmentů organizovaných ve formě a-helixů, z nichž každý hraje svou vlastní roli.
Transmembránový segment 5 tedy hraje roli póru, transmembránový segment 4 je senzor, který reaguje na změny membránového potenciálu, a další transmembránové segmenty jsou zodpovědné za aktivaci a inaktivaci systému portálových kanálů. Doposud nebyla studována role jednotlivých transmembránových segmentů a podjednotek.
Sodíkové kanály (vnitřní průměr 0,55 nm) jsou přítomny v buňkách excitabilních tkání. Hustota na 1 µm 2 v různých tkáních není stejná.
Takže v nemyelinizovaných nervových vláknech je to 50-200 kanálů a v myelinizovaných nervových vláknech (Ranvier intercepts) - 13 000 na 1 mikron 2 plochy membrány. V klidu jsou zavřené. Membránový potenciál je 70-80 mV.
Vystavení stimulu mění membránový potenciál a aktivuje napěťově řízený sodíkový kanál.
Je aktivován, když se membránový potenciál posune z hladiny klidového potenciálu ke kritické úrovni depolarizace.
Silný sodíkový proud zajišťuje posun membránového potenciálu na kritickou úroveň depolarizace (CDL).
Změna membránového potenciálu až -50-40 mV, tzn. na úroveň kritické úrovně depolarizace, způsobí otevření dalších napěťově závislých Na+ kanálů, kterými je veden příchozí sodíkový proud, který tvoří "vrchol" akčního potenciálu.
Sodné ionty se pohybují do buňky podél koncentračního gradientu a chemického gradientu kanálem a tvoří tzv. příchozí sodíkový proud, což vede k dalšímu rychlému rozvoji depolarizačního procesu.
Membránový potenciál mění znaménko na opačné +10-20 mV. Pozitivní membránový potenciál způsobuje uzavření sodíkových kanálů a jejich inaktivaci.
Potenciálně závislé Na+ kanály hrají vedoucí roli při tvorbě akčního potenciálu, tzn. proces excitace v buňce.
Ionty vápníku brání otevření napěťově řízených sodíkových kanálů změnou parametrů odezvy.
NA + -kanály
Draslíkové kanály (vnitřní průměr 0,30 nm) jsou přítomny v cytoplazmatických membránách, bylo nalezeno značné množství kanálků pro „únik“ draslíku z buňky.
V klidu jsou otevřené. Přes ně v klidu draslík „uniká“ z buňky podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
Tento proces se označuje jako odcházející draslíkový proud, který vede k vytvoření klidového membránového potenciálu (-70-80 mV). Tyto draslíkové kanály lze pouze podmíněně klasifikovat jako závislé na napětí.
Když se membránový potenciál během depolarizace změní, draslíkový proud je inaktivován.
Během repolarizace se přes napěťově závislé kanály tvoří příchozí K + proud, který se nazývá K + proud zpožděného usměrnění.
Jiný typ napěťově řízených K + -kanálů. Podél nich v podprahové oblasti membránového potenciálu vzniká rychlý vnější proud draslíku (pozitivní stopový potenciál). K inaktivaci kanálu dochází v důsledku hyperpolarizace stopy.
Jiný typ napěťově řízených draslíkových kanálů se aktivuje až po předběžné hyperpolarizaci, tvoří rychlý přechodný draslíkový proud, který se rychle inaktivuje.
Ionty vápníku usnadňují otevírání napěťově řízených draslíkových kanálů změnou parametrů odezvy.
so + -kanály.
Potenciálně řízené kanály významně přispívají jak k regulaci vstupu vápníku do cytoplazmy, tak k elektrogenezi.
Proteiny, které tvoří vápníkové kanály, se skládají z pěti podjednotek (al, a2, b, g, d).
Hlavní podjednotka al tvoří samotný kanál a obsahuje vazebná místa pro různé modulátory vápníkového kanálu.
V nervových buňkách savců (označených A, B, C, D a E) bylo nalezeno několik strukturně odlišných al-podjednotek vápníkového kanálu.
Funkčně se různé typy kalciových kanálů od sebe liší aktivací, kinetikou, jednokanálovou vodivostí a farmakologií.
V buňkách bylo popsáno až šest typů napěťově řízených vápníkových kanálů (T-, L-, N-, P-, Q-, R- kanály).
Aktivita napěťově řízených kanálů plazmatické membrány je regulována různými intracelulárními druhými posly a membránově vázanými G-proteiny.
Kalciové napěťově řízené kanály se nacházejí ve velkém množství v cytoplazmatických membránách neuronů, myocytech hladkých, příčně pruhovaných a srdečních svalů a v membránách endoplazmatického retikula.
Ca2+-kanály SPR jsou oligomerní proteiny vložené do membrány SPR.
so 2+ - ovládal Sa 2+ - SPR kanály.
Tyto vápníkové kanály byly nejprve izolovány z kosterních a srdečních svalů.
Ukázalo se, že Ca 2+ -kanály SPR v těchto svalových tkáních mají molekulární rozdíly a jsou kódovány různými geny.
Ca 2+ -kanály SPR v srdečních svalech jsou přímo propojeny s vysokoprahovými Ca 2+ -kanály plazmatické membrány (L-typ) prostřednictvím proteinů vázajícího vápník a tvoří tak funkčně aktivní strukturu - "triádu".
V kosterních svalech depolarizace plazmalemy přímo aktivuje uvolňování Ca 2+ z endoplazmatického retikula v důsledku skutečnosti, že Ca 2+ kanály plazmatické membrány slouží jako napěťově citlivé přenašeče aktivačního signálu přímo do Ca 2+ kanálů SPR prostřednictvím vazebných proteinů.
Depoty Ca2+ kosterních svalů tedy mají mechanismus uvolňování Ca2+ indukovaný depolarizací (typ RyRl).
Na rozdíl od kosterních svalů nejsou endoplazmatické Ca 2+ kanály kardiomyocytů spojeny s plazmatickou membránou a stimulace uvolňování Ca 2+ z depa vyžaduje zvýšení koncentrace cytosolického vápníku (typ RyR2).
Kromě těchto dvou typů Ca 2+-aktivovaných Ca 2h kanálů byl nedávno identifikován třetí typ Ca 2+ SPR kanálů (typ RyR3), který dosud nebyl dostatečně prozkoumán.
Všechny vápníkové kanály se vyznačují pomalou aktivací a pomalou inaktivací ve srovnání se sodíkovými kanály.
Při depolarizaci svalové buňky (výběžky cytoplazmatických membrán - T-tubuly se přibližují k membránám endoplazmatického retikula) dochází k napěťově závislému otevírání vápníkových kanálků membrán sarkoplazmatického retikula.
Protože na jedné straně je koncentrace vápníku v SPR vysoká (zásobník vápníku) a koncentrace vápníku v cytoplazmě je nízká a na druhé straně plocha membrány SPR a hustota vápníku kanály v něm jsou velké, hladina vápníku v cytoplazmě se zvyšuje 100krát.
Toto zvýšení koncentrace vápníku iniciuje proces kontrakce myofibril.
Kalciové kanály v kardiomyocytech jsou umístěny v cytoplazmatické membráně a jsou to vápníkové kanály typu L.
Jsou aktivovány při membránovém potenciálu +20-40 mV, tvoří příchozí vápníkový proud. Jsou dlouhodobě v aktivovaném stavu, tvoří „plató“ akčního potenciálu kardiomyocytů.
aniontové kanály.
Největší počet kanálů pro chlór v buněčné membráně. Ve srovnání s mezibuněčným prostředím je v buňce méně chloridových iontů. Proto, když se kanály otevřou, chlor vstupuje do článku podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
Počet kanálů pro HCO 3 není tak velký, objem transportu tohoto aniontu kanály je mnohem menší.
iontoměničů.
Membrána obsahuje iontoměniče (nosné proteiny), které provádějí usnadněnou difúzi iontů, tzn. zrychlený spojený pohyb iontů přes biomembránu podél koncentračního gradientu, takové procesy jsou nezávislé na ATP.
Nejznámější jsou výměníky Na + -H +, K + -H +, Ca 2+ -H +, dále výměníky zajišťující výměnu kationtů za aniontyNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ a výměníky, které zajišťují výměnu kationtu za kation (Na + -Ca 2+) nebo aniont za anion (Cl- HCO3).
Iontové kanály řízené receptorem.
Ligand-gated (ligand-gated) iontové kanály.
Ligandem řízené iontové kanály jsou poddruhem receptorově řízených kanálů a jsou vždy kombinovány s receptorem pro biologicky aktivní látku (BAS).
Receptory uvažovaných kanálů patří k ionotropnímu typu membránových receptorů, při interakci s biologicky aktivními látkami (ligandy) dochází k rychlým reakcím.
Iontový kanál s ligandem se skládá z:
póry naplněné vodou;
selektivní filtr;
aktivační brána;
vazebné místo pro ligand (receptor). Vysokoenergetický aktivní BAS má vysokou
afinita (afinita) k určitému typu receptoru. Když jsou aktivovány iontové kanály, určité ionty se pohybují podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.
V membránovém receptoru může být vazebné místo pro ligand přístupné pro ligand z vnějšího povrchu membrány.
V tomto případě hormony a parahormony, ionty působí jako ligand.
Takže když jsou aktivovány N-cholinergní receptory, aktivují se sodíkové kanály.
Propustnost vápníku je iniciována neuronálními acetylcholinovými, glutamátovými (NMDA a AMPA/kainattypy) receptory a purinovými receptory.
Receptory GABAA jsou spojeny s iontovými chloridovými kanály a glycinové receptory jsou také spojeny s chloridovými kanály.
V membránovém receptoru může být vazebné místo ligandu přístupné pro ligandy z vnitřního povrchu membrány.
V tomto případě proteinkinázy aktivované druhými posly nebo druhými posly samotnými působí jako ligandy.
Takže proteinkinázy A, C, G fosforylací proteinů kationtových kanálů mění svou permeabilitu.
Mechanicky ovládané iontové kanály.
Mechanicky řízené iontové kanály mění svou vodivost pro ionty buď změnou napětí bilipidové vrstvy nebo prostřednictvím buněčného cytoskeletu. Mnoho mechanicky řízených kanálů je spojeno s mechanoreceptory; existují ve sluchových buňkách, svalových vřeténech a vaskulárním endotelu.
Všechny mechanicky ovládané kanály jsou rozděleny do dvou skupin:
natažením aktivované buňky (SAC);
natažením inaktivované buňky (SIC).
Mechanicky ovládané kanály mají všechny hlavní vlastnosti kanálu:
póry naplněné vodou;
mechanismus brány;
senzor natažení.
Když je kanál aktivován, ionty se pohybují podél koncentračního gradientu podél něj.
ATPáza sodíku, draslíku.
Sodná, draselná ATPáza (sodno-draslíková pumpa, sodno-draselná pumpa).
Skládá se ze čtyř transmembránových domén: dvou α-podjednotek a dvou β-podjednotek. α-podjednotka je velká doména a β-podjednotka je malá. Během transportu iontů jsou velké podjednotky fosforylovány a ionty se jimi pohybují.
ATPáza sodíku a draslíku hraje klíčovou roli při udržování homeostázy sodíku a draslíku v intra- a extracelulárním prostředí:
udržuje vysokou hladinu K + a nízkou hladinu Na + v buňce;
podílí se na tvorbě klidového membránového potenciálu, na tvorbě akčního potenciálu;
zajišťuje Na + konjugovaný transport většiny organických látek přes membránu (sekundární aktivní transport);
významně ovlivňuje homeostázu H2O.
Sodík, draselná ATPáza, má nejdůležitější podíl na tvorbě iontové asymetrie v extra- a intracelulárních prostorech.
Fázovaná práce sodíkové a draslíkové pumpy zajišťuje neekvivalentní výměnu draslíku a sodíku přes membránu.
so + -ATPase (čerpadlo).
Existují dvě rodiny Ca 2+ pump odpovědných za eliminaci Ca 2+ iontů z cytoplazmy: Ca 2+ pumpy plazmatické membrány a Ca 2+ pumpy endoplazmatického retikula.
Přestože patří do stejné rodiny proteinů (tzv. P-třída ATPáz), tyto pumpy vykazují určité rozdíly ve struktuře, funkční aktivitě a farmakologii.
Nachází se ve velkém množství v cytoplazmatické membráně. V cytoplazmě buňky v klidu je koncentrace vápníku 10-7 mol/l a mimo buňku je to mnohem více -10-3 mol/l.
Takový významný rozdíl v koncentracích je udržován díky práci cytoplazmatické Ca++-ATPázy.
Činnost Ca 2+ -pumpy plazmatické membrány je přímo řízena Ca 2+ : zvýšení koncentrace volného vápníku v cytosolu aktivuje Ca 2+ -pumpu.
V klidu k difúzi přes vápníkové iontové kanály téměř nedochází.
Ca-ATPáza transportuje Ca z buňky do extracelulárního prostředí proti jeho koncentračnímu gradientu. Podél gradientu vstupuje Ca + do buňky v důsledku difúze iontovými kanály.
Membrána endoplazmatického retikula obsahuje také velké množství Ca++-ATPázy.
Kalciová pumpa endoplazmatického retikula (SERCA) zajišťuje odvod vápníku z cytosolu do endoplazmatického retikula – „depot“ vápníku díky primárnímu aktivnímu transportu.
V depu se vápník váže na proteiny vázající vápník (calsekvestrin, calreticulin atd.).
Dosud byly popsány alespoň tři různé izoformy čerpadel SERCA.
Podtyp SERCA1 se koncentruje výhradně v rychlých kosterních svalech, zatímco pumpy SERCA2 jsou rozšířeny v jiných tkáních. Význam čerpadel SERCA3 je méně jasný.
Proteiny SERCA2-nacos se dělí na dvě různé izoformy: SERCA2a, charakteristické pro kardiomyocyty a hladké svaly, a SERCA2b, charakteristické pro mozkové tkáně.
Zvýšení Ca 2+ v cytosolu aktivuje vychytávání vápenatých iontů do endoplazmatického retikula, zatímco zvýšení volného vápníku v endoplazmatickém retikulu inhibuje SERCA pumpy.
H + K + -ATPáza (pumpa).
Pomocí této pumpy (v důsledku hydrolýzy jedné molekuly ATP) jsou ve výstelkových (parietálních) buňkách žaludeční sliznice transportovány dva draselné ionty z extracelulárního prostoru do buňky a dva ionty H + z cytosolu. do extracelulárního prostoru při hydrolýze jedné molekuly. Tento mechanismus je základem tvorby kyseliny chlorovodíkové v žaludku.
Třída iontové pumpyF.
Mitochondriální ATPáza. Katalyzuje poslední krok syntézy ATP. Mitochondriální krypty obsahují ATP syntázu, která spojuje oxidaci v Krebsově cyklu a fosforylaci ADP na ATP.
Třída iontové pumpyPROTI.
Lysozomální H + -ATPáza (lysozomální protonové pumpy) - protonové pumpy, které zajišťují transport H + z cytosolu do řady lysozomálních organel, Golgiho aparát, sekreční váčky. V důsledku toho klesá hodnota pH např. u lysozomů na 5,0, což optimalizuje aktivitu těchto struktur.
Vlastnosti iontového transportu
1. Významná a asymetrická transmembrána! gradient pro Na+ a K+ v klidu.
Sodíku mimo buňku (145 mmol/l) je 10x více než v buňce (14 mmol/l).
V buňce je asi 30x více draslíku (140 mmol/l) než mimo buňku (4 mmol/l).
Tato vlastnost distribuce iontů sodíku a draslíku:
homeostatizováno prací Na + /K + -nacoca;
tvoří v klidu odcházející draslíkový proud (únikový kanál);
vytváří klidový potenciál;
práce jakýchkoli draslíkových kanálů (závislých na napětí, na vápníku, na ligandu) je zaměřena na tvorbu odcházejícího draslíkového proudu.
To buď vrátí stav membrány na původní úroveň (aktivace napěťově závislých kanálů ve fázi repolarizace), nebo membránu hyperpolarizuje (kanály závislé na vápníku, ligandy, včetně těch aktivovaných systémy druhých mediátorů).
Je třeba mít na paměti, že:
pohyb draslíku přes membránu se provádí pasivním transportem;
tvorba excitace (akčního potenciálu) je vždy způsobena příchozím sodíkovým proudem;
aktivace jakýchkoli sodíkových kanálů vždy způsobí vnitřní sodíkový proud;
pohyb sodíku přes membránu se téměř vždy uskutečňuje pasivním transportem;
v epiteliálních buňkách, které tvoří stěnu různých trubic a dutin v tkáních (tenké střevo, nefronové tubuly atd.), ve vnější membráně je vždy velké množství sodíkových kanálů, které při aktivaci zajišťují příchozí sodíkový proud, a ve vnější membráně bazální membrána – velké množství sodíkových, draselných pump, které odčerpávají sodík z buňky. Taková asymetrická distribuce těchto transportních systémů pro sodík zajišťuje jeho transcelulární transport, tzn. ze střevního lumen, renálních tubulů do vnitřního prostředí těla;
pasivní transport sodíku do buňky po elektrochemickém gradientu vede k akumulaci energie, která se využívá pro sekundární aktivní transport mnoha látek.
2. Nízká hladina vápníku v cytosolu buňky.
V buňce v klidu je obsah vápníku (50 nmol/l) 5000krát nižší než mimo buňku (2,5 mmol/l).
Takto nízká hladina vápníku v cytosolu není náhodná, protože vápník v koncentracích 10–100krát vyšších, než je výchozí, působí jako druhý intracelulární mediátor při realizaci signálu.
Za takových podmínek je možný rychlý nárůst vápníku v cytosolu v důsledku aktivace vápníkových kanálů (usnadněná difúze), které jsou ve velkém množství přítomny v cytoplazmatické membráně a v membráně endoplazmatického retikula (endoplazmatické retikulum – „depot vápníku v buňce).
Tvorba toků vápníku, ke kterému dochází v důsledku otevření kanálů, poskytuje fyziologicky významné zvýšení koncentrace vápníku v cytosolu.
Nízkou hladinu vápníku v cytosolu buňky udržují Ca 2+ -ATPáza, Na + /Ca 2+ -výměníky, vápník vázající proteiny cytosolu.
Kromě rychlé vazby cytosolického Ca 2+ intracelulárními proteiny vázajícími Ca 2+ mohou být ionty vápníku vstupující do cytosolu akumulovány Golgiho aparátem nebo buněčným jádrem a zachyceny mitochondriálními depoty Ca 2+.
3. Nízká hladina chlóru v článku.
V článku v klidu je obsah chloru (8 mmol/l) více než 10x nižší než mimo článek (110 mmol/l).
Tento stav je udržován provozem transportéru K + /Cl-.
Změna funkčního stavu článku je spojena (nebo způsobena) se změnou propustnosti membrány pro chlór. Po aktivaci chloridových kanálů řízených napětím a ligandem vstupuje ion do cytosolu kanálem pasivním transportem.
Vstup chloru do cytosolu je navíc tvořen kotransportérem Na+/K+/2CH a výměníkem CG-HCO3.
Vstup chlóru do článku zvyšuje polaritu membrány až k hyperpolarizaci.
Vlastnosti iontového transportu hrají zásadní roli při vzniku bioelektrických jevů v orgánech a tkáních, které kódují informace, určují funkční stav těchto struktur, jejich přechod z jednoho funkčního stavu do druhého.
Iontové kanály (IC) jsou membránové molekulární struktury tvořené integrálními (transmembránovými) proteiny, které pronikají buněčnou membránou napříč ve formě několika smyček a tvoří průchozí kanál (pór) v membráně. Kanálové proteiny se skládají z podjednotek, které tvoří strukturu se složitou prostorovou konfigurací, ve které jsou kromě póru obvykle další molekulární systémy: otevírání, uzavírání, selektivita, inaktivace, příjem a regulace. IC nemusí mít jedno, ale několik míst (míst) pro vazbu na kontrolní látky (ligandy).
IC se skládají z proteinů komplexní struktury (kanál tvořící proteiny).
IC proteiny mají určitou konformaci, tvoří transmembránový pór a jsou „všity“ do lipidové vrstvy membrány. Kanálový proteinový komplex může sestávat buď z jedné proteinové molekuly nebo z několika proteinových podjednotek, identických nebo odlišných ve struktuře. Tyto podjednotky mohou být kódovány různými geny, syntetizovány odděleně na ribozomech a poté sestaveny jako integrální kanál. V jiném případě může být kanálem jeden polypeptid, který několikrát prochází membránou ve formě smyček. Na počátku 21. století je známo více než 400 kanálotvorných proteinů, k jejichž biosyntéze se využívá 1–2 % lidského genomu.
Domény jsou jednotlivé kompaktně tvarované části kanálového proteinu nebo podjednotek. Segmenty jsou části protein-channeloformer, které jsou spirálovitě složené a propíchnou membránu. Terminální domény kanáloformerového proteinu (N- a C-terminální domény) mohou vyčnívat z membrány jak vně, tak uvnitř buňky.
Téměř všechny integrované obvody mají ve svých podjednotkách regulační domény které se mohou vázat na různé kontrolní látky (regulační molekuly) a tím měnit stav nebo vlastnosti kanálu. V napěťově aktivovaných integrovaných obvodech obsahuje jeden z transmembránových segmentů speciální sadu kladně nabitých aminokyselin a funguje jako senzor elektrického potenciálu membrány. Při změně potenciálu takový senzor změní stav kanálu z otevřeného na uzavřený nebo naopak. IO tedy mohou být řízeny určitými vnějšími vlivy, to je jejich důležitá vlastnost.
IR ve svém složení mohou mít také doplňkové podjednotky, vykonávající modulační, strukturální nebo stabilizační funkce. Jedna třída takových podjednotek je intracelulární, nachází se zcela v cytoplazmě, a druhá je membránová, protože. mají transmembránové domény, které propíchnou membránu.
Klasifikace iontových kanálů:
Podle typu aktivace
- Potenciál závislý
-Závislý na ligandu
Mechanicky aktivovaný
Podle selektivity
- Selektivní (Na, K, Ca, Cl)
- Neselektivní
Podle kinetiky
-Rychlý
-Pomalý
smíšený
Jedná se o napěťově řízený iontový kanál, který zajišťuje rychlé zvýšení sodíkové vodivosti, která je zodpovědná za depolarizační fázi během rozvoje akčního potenciálu v nervových a svalových buňkách. Kanály izolované ze savčích tkání mají molekulovou hmotnost ~335 000. Na+ kanály interagují s různými toxiny, zejména tetrodotoxinem, saxitoxinem a scorpion α-toxinem, které se velmi silně vážou na kanálové proteiny a mohou být použity v kvantitativních biochemických měřeních.
draslíkový kanál
Napěťově řízené K-kanály se nacházejí jak v plazmatické membráně, tak v sarkoplazmatickém retikulu. Společnou vlastností těchto kanálů je citlivost na inhibiční působení tetraethylamonia, 4-aminopyridinu a Cs, ačkoli účinnost těchto inhibitorů na různé podtypy kanálů se významně liší. Tyto kanály jsou aktivovány během depolarizace a repolarizují membránu během akčního potenciálu. Rychlost jejich inaktivace je nízká - od 100 ms do několika sekund.
5. Pojem vzrušivosti. Parametry dráždivosti nervosvalového systému: práh podráždění (reobáze), užitečná doba (chronaxie). Závislost síly stimulace na době jejího působení (Goorweg-Weissova křivka). Žáruvzdorné.
Vzrušivost- jde o schopnost (vlastnost) některých fyziologických systémů reagovat na vnější nebo vnitřní vlivy specializovanou reakcí - generováním akčního potenciálu.
Buňky schopné excitace (v lidském těle) – svalové, nervové, sekreční – jsou tzv vzrušivý. Všechny ostatní buňky jsou dráždivé. Z toho vyplývá, že podrážděnost je více společný majetekživé systémy, zatímco vzrušivost je soukromým a specializovaným projevem dráždivosti.
Pro jakýkoli excitovatelný systém existuje minimální síla stimulu, která způsobuje excitaci. Dostala jméno práh nebo reobáze.
Jakýkoli podnět musí působit alespoň určitou dobu, aby vyvolal excitační reakci, této době se říká latentní nebo užitečnýčas.
Chronaxia - Tento speciální případ užitečná doba podnětu s hodnotou 2 prahů (2 reobáze).
Labilita- míra vzrušivosti nebo maximální rytmus impulsů, který je vzrušivý systém schopen reprodukovat za jednotku času. Hodnota lability je nepřímo úměrná délce trvání fáze absolutní refrakternosti, tzn. 1/ARF (s).
Zákon trvání podráždění. Odezva tkáně závisí na době trvání stimulace, ale probíhá v určitých mezích a je přímo úměrná. Existuje vztah mezi silou stimulace a dobou jejího působení. Tato závislost je vyjádřena jako křivka síly a času. Tato křivka se nazývá Goorweg-Weiss-Lapicova křivka. Křivka ukazuje, že bez ohledu na to, jak silný je podnět, musí působit po určitou dobu. Pokud je časový interval malý, pak se odezva nedostaví. Pokud je podnět slabý, pak bez ohledu na to, jak dlouho působí, nedochází k žádné reakci. Síla podnětu se postupně zvyšuje a v určitém okamžiku nastává tkáňová odpověď. Tato síla dosáhne prahové hodnoty a nazývá se reobáze (minimální síla podráždění, která způsobuje primární odpověď). Doba, po kterou působí proud rovný reobáze, se nazývá užitečná doba.
Graf závislosti "síla-čas / trvání" (Goorweg-Weiss-Lapik křivka)
žáruvzdornost- (fyziologická vlastnost excitabilních tkání) dočasné snížení excitability současně s excitací, která ve tkáni vznikla. Refraktérnost je absolutní (žádná reakce na žádný podnět) a relativní (vzrušivost je obnovena a tkáň reaguje na podprahový nebo nadprahový podnět);
6. Iontové pumpy (ATPázy): K + -Na + -eva, Ca2 + -eva (plazmolema a sarkoplazmatické retikulum). H+-K+-lbmennik.
Ligand-gated kanály jsou iontové kanály umístěné v postsynaptické membráně na neuromuskulárních spojeních. Vazba mediátoru na tyto kanály z vnějšku membrány způsobí změny v jejich konformaci - kanály se otevřou, projdou ionty přes membránu a tím se změní membránový potenciál. Na rozdíl od napěťově řízených kanálů odpovědných za spouštění akčního potenciálu a uvolňování vysílače jsou kanály řízené ligandem relativně necitlivé na změny membránového potenciálu, a proto nejsou schopné samoposilující excitace všechno nebo nic. Místo toho generují elektrický signál, jehož síla závisí na intenzitě a trvání vnějšího chemického signálu, tzn. kolik mediátoru se uvolní do synaptické štěrbiny a jak dlouho tam zůstane.
Receptory spojené s kanály jsou specifické, stejně jako enzymy, pouze pro určité ligandy, a proto reagují na působení pouze jednoho mediátoru - toho, který se uvolňuje z presynaptického zakončení, ostatní mediátory nemají žádný účinek.
Kanály různých typů se vyznačují různou iontovou specifitou: některé mohou selektivně propouštět sodíkové ionty, jiné - draselné atd., mohou existovat ty, které jsou málo selektivní s ohledem na různé kationty, ale nepropouštějí anionty. Iontová specificita je však pro danou postsynaptickou membránu konstantní: typicky mají všechny kanály v synapsi stejnou selektivitu.
Ze všech iontových kanálů závislých na ligandu byl nejvíce studován nikotinový acetylcholinový receptor.
Je známo mnoho dalších typů UA, jsou aktivovány různými mediátory (serotonin, glycin, kyselina gama-aminomáselná – GABA aj.) a všechny tyto hlavní typy UA se dělí na mnoho podtypů. S ohledem na senzorické systémy jsou nejdůležitější MK nalezené v čichových a fotoreceptorových buňkách citlivé na cyklické nukleotidy (CNZ). Bude popsána struktura kanálů CNZ-gate. Na rozdíl od kanálů n-AChR tvoří podjednotkový protein 6 transmembránových segmentů a celý kanál se skládá ze čtyř podjednotek.