Rozmanitost a vlastnosti iontových kanálů. Biologické membrány a iontové kanály

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)

Iontové kanály jsou tvořeny proteiny, jsou velmi různorodé ve struktuře a mechanismu svého působení. Je známo více než 50 typů kanálů, každá nervová buňka má více než 5 typů kanálů. Aktivační stav řízeného iontového kanálu obvykle trvá asi 1 ms, někdy až 3 ms a mnohem více, přičemž jedním kanálem může projít 12-20 milionů iontů.

Klasifikace iontových kanálů provedené z několika důvodů.

Podle možnosti řízení jejich funkce se rozlišují kanály řízené a neřízené (kanály úniku iontů). . Nekontrolovanými kanály se ionty pohybují neustále, ale pomalu, samozřejmě za přítomnosti elektrochemického gradientu, jako v případě rychlá cesta ionty prostřednictvím řízených kanálů. Řízené kanály mají brány se svými kontrolními mechanismy, takže jimi mohou ionty procházet pouze tehdy, když jsou brány otevřené.

Podle rychlosti pohybu iontů mohou být kanály rychlé a pomalé. Například akční potenciál v kosterním svalu vzniká jako výsledek aktivace rychlých Na- a K-kanálů. Při rozvoji akčního potenciálu srdečního svalu spolu s rychlými kanály pro Na+ a K+ důležitá role hrát pomalé kanály - vápník, draslík a sodík.

V závislosti na stimulu, aktivačním nebo inaktivačním, existuje několik typů gatovaných iontových kanálů: a) napěťově citlivé, b) chemosenzitivní, c) mechanicky citlivé, d) citlivé na vápník, e) kanály citlivé na druhé mediátory. Ty jsou umístěny v intracelulárních membránách, nejsou dobře pochopeny, stejně jako kanály citlivé na vápník. Když mediátor (ligand) interaguje s receptory umístěnými na povrchu buněčné membrány, mohou se otevřít brány chemosenzitivních kanálů, proto se jim také říká receptorové kanály. L a g a d je biologicky aktivní látka nebo farmakologický lék, který aktivuje nebo blokuje receptor. K otevření chemosenzitivních kanálů dochází v důsledku konformačních změn v receptorovém komplexu. Brány napěťově řízených kanálů se otevírají a zavírají se změnou membránového potenciálu. Proto v konstrukci jejich hradlového mechanismu musí být částice, které nesou elektrický náboj. Mechanocitlivé kanály se aktivují a deaktivují kompresí a roztažením. Kanály citlivé na vápník jsou aktivovány, jak název napovídá, vápníkem a Ca 2+ může aktivovat jak své vlastní kanály, například kanály Ca sarkoplazmatického retikula, tak kanály jiných iontů, například kanály K + ionty. Membrány excitabilních buněk (hladké a příčně pruhované svaly, včetně srdečního svalu, nervový systém) obsahují kanály citlivé na potenciál, chemo, mechano a vápník. Je třeba poznamenat, že kanály citlivé na vápník jsou jedním příkladem kanálů citlivých na chemoterapii.

V závislosti na selektivitě existují iontově selektivní kanály, které umožňují průchod pouze jednomu iontu, a kanály, které selektivitu nemají. Existují Na-, K-, Ca-, C1- a Na/Ca-selektivní kanály. Existují kanály, které propouštějí několik iontů, například Na+, K+ a Ca2+ v buňkách myokardu, tj. chybí selektivita. Nejvyšší stupeň selektivity pro potenciálně senzitivní (napěťově závislé) kanály je poněkud nižší pro chemosenzitivní (receptorově závislé) kanály. Například, když acetylcholin působí na H-cholinergní receptor postsynaptické membrány v neuromuskulární synapsi, aktivují se iontové kanály, kterými současně procházejí ionty Na +, K + a Ca 2+. Mechanocitlivé kanály jsou obecně neselektivní pro monovalentní ionty a Ca2+.

Jeden a tentýž iont může mít několik typů kanálů. Nejdůležitější z nich pro tvorbu biopotenciálů jsou následující.

Kanály pro K+:

a) nekontrolované klidové kanály (únikové kanály), kterými K + neustále opouští buňku, což je hlavní faktor při tvorbě membránového potenciálu (klidový potenciál);

b) napěťově citlivé řízené K-kanály;

c) K-kanály aktivované Ca2+;

d) kanály aktivované jinými ionty a látkami, jako je acetylcholin, který zajišťuje hyperpolarizaci srdečních myocytů.

Kanály pro Na +- řízené rychle a pomalu a nekontrolovaně (kanály úniku iontů):

a) napěťově citlivé rychlé Na-kanály - rychle se aktivují s poklesem membránového potenciálu, zajišťují vstup Na + do buňky při její excitaci;

b) receptorově řízené Na-kanály aktivované acetylcholinem v nervosvalové synapsi, glutamátem - v synapsích neuronů CNS;

c) pomalé nekontrolované Na-kanály - únikové kanály, kterými Na + neustále difunduje do buňky a nese s sebou další molekuly, jako je glukóza, aminokyseliny, molekuly nosiče. Na-leak kanály tedy zajišťují sekundární transport látek a účast Na + při tvorbě membránového potenciálu.

Kanály pro Ca 2+ velmi rozmanité a nejsložitější: receptorově řízené a napětím řízené, pomalé a rychlé:

a) pomalé kalciové napěťově citlivé kanály (nový název: L-typ), které se pomalu aktivují při depolarizaci buněčné membrány, způsobují pomalý vstup Ca 2+ do buňky a pomalý kalciový potenciál např. v kardiomyocytech . Dostupné v příčně pruhovaných a hladkých svalech, v neuronech CNS;

b) rychlé kalciové potenciálně citlivé kanály sarkoplazmatického retikula zajišťují uvolňování Ca 2+ do hyaloplazmy a elektromechanickou vazbu.

Kanály pro chlór jsou přítomny v kosterních a srdečních myocytech, erytrocytech, v malém množství v neuronech a jsou koncentrovány v synapsích. Potenciálně řízené C1 kanály jsou přítomny v kardiomyocytech, receptorově řízené v synapsích CNS a jsou aktivovány inhibičními mediátory GABA a glycinem.

Struktura iontových kanálů a jejich fungování. Kanály mají ústí a selektivní filtr a řízené kanály mají hradlový mechanismus; kanály jsou naplněny kapalinou, jejich rozměry jsou 0,3-0,8 nm. Selektivita iontových kanálů je určena jejich velikostí a přítomností nabitých částic v kanálu. Tyto částice mají opačný náboj než iont, který přitahují, což umožňuje iontu projít tento kanál(jako je známo, že náboje se navzájem odpuzují). Nenabité částice mohou také procházet iontovými kanály. Ionty procházející kanálem se musí zbavit hydratačního obalu, jinak budou jejich velikosti více velikostí kanál. Průměr iontu Na +, například, s hydratovaným obalem je 0,3 nm a bez hydratovaného obalu - 0,19 nm. Iont, který je příliš malý, procházející selektivním filtrem, se nemůže vzdát hydratačního obalu, takže nemůže projít kanálem. Zdá se však, že existují i ​​jiné mechanismy selektivity buněčné membrány. Hypotéza „prosévání“ není schopna vysvětlit například, proč K + neprochází otevřenými Na kanály na začátku buněčného excitačního cyklu, nicméně poskytuje uspokojivé a v některých případech naprosto přesvědčivé vysvětlení pro selektivní ( selektivní) permeabilita buněčných membrán.pro různé částice a ionty.

Kanály stejného typu se mohou vzájemně ovlivňovat. Otevření některých elektricky řízených kanálů tedy přispívá k aktivaci sousedních elektricky citlivých kanálů, zatímco otevření jednoho chemo- nebo mechano-citlivého kanálu a průchod iontů přes něj prakticky neovlivňuje stav sousedních podobných kanálů. Částečná depolarizace buněčné membrány v důsledku aktivace mechanosenzitivních kanálů může vést k aktivaci napěťově citlivých kanálů Na+, K+ (nebo Cl-) a Ca2+.

Iontové kanály jsou blokovány specifickými látkami a farmakologickými přípravky, což je široce používáno pro terapeutické účely. Specifickým blokátorem mechanosenzitivních kanálů je gadolinium (Gd 3+). Blokátory různých potenciálně citlivých kanálů jsou různé léky nebo chemikálie. Například atropin je blokátorem chemosenzitivního (receptor-senzitivního) kanálu efektorových buněk aktivovaných acetylcholinem. Potenciálně závislé Na-kanály jsou blokovány tetrodotoxinem (působí pouze mimo buňku); vápník - dvojmocné ionty, jako je nikl, ionty manganu, stejně jako verapamil, nifedipin. Počet iontových kanálů na buněčná membrána obrovský. Takže na 1 µm 2 existuje přibližně 50 Na-kanálů, v průměru jsou umístěny ve vzdálenosti 140 nm od sebe. Úspěšné studium iontových kanálů umožňuje lépe porozumět mechanismu účinku farmakologických léčiv, a proto je úspěšněji aplikovat v klinické praxi. Novocain například jako lokální anestetikum zmírňuje bolest, protože blokováním sodíkových kanálků zastavuje vedení vzruchu podél nervových vláken.

Spotřeba energie při transportu látek membránou. Značná část energie se vynakládá na procesy transportu látek v těle. Přesto je přeprava látek prováděna velmi hospodárně, neboť přeprava některých částic obvykle zajišťuje přechod jiných, o čemž svědčí řada skutečností.

Při provozu Na/K-pumpy je energie vynakládána na přenos Na + z buňky do jejího prostředí, zatímco přenos K + do buňky probíhá bez přímé spotřeby energie v důsledku konformace proteinu. molekula (Na / K-ATPáza) po přidání K + k její aktivní části.

Vznik koncentračního gradientu iontů, který je příčinou membránového potenciálu, současně vytváří osmotický gradient, který zase vytváří předpoklady pro řízený pohyb vody. Vytvořený elektrický gradient se podílí na přenosu nabitých částic, zajišťuje vznik akčního potenciálu a šíření excitace.

Proces přenosu vody z jedné oblasti do druhé podle zákona osmózy zajišťuje transport všech částic v ní rozpuštěných a schopných projít biologickými filtry (po rozpouštědle). Energie není přímo vynakládána na přechod vody (sekundární transport), přirozeně není energie vynakládána na přenos částic rozpuštěných ve vodě, které následují s vodou.

Transport závislý na sodíku (transport neelektrolytů) vyžaduje energii k přenosu Na + z buňky, ale difúze Na + do buňky často zajišťuje pohyb membránových nosičů spojených s molekulami glukózy a aminokyselinami. Proto glukóza, aminokyseliny mohou vstoupit do buňky společně s Na + (symport). Obdobným mechanismem se provádí i zpětné vychytávání mediátoru do presynaptického zakončení ze synaptické štěrbiny v synapsích CNS. Transport závislý na sodíku může také zajišťovat kyvadlové pohyby nosných molekul, které zase transportují ionty Ca 2+, H + ven z buňky (protitransport, antiport) podle koncentračního gradientu nosičů.

Glukóza a aminokyseliny jsou transportovány usnadněnou difúzí sekundárně aktivně bez přímé spotřeby energie.

Difúze plynů v plicích mezi vzduchem a krví, stejně jako ve tkáních mezi krví a intersticiem, probíhá zcela bez energetického výdeje, stejně jako výměna HCO3 a Cl- iontů mezi erytrocyty a plazmou, když je krev v různých tkáních tělo a plíce. Difúze látek ze střeva, např. glukózy do krve po požití s ​​potravou, pokud je její koncentrace ve střevě větší, probíhá podle koncentračního gradientu, na jehož vytvoření buňky těla nevydávají energii. Tyto dva případy (difúze plynů v plicích, tkáních a částicích ve střevě) jsou výjimkou, kdy transport v těle probíhá zcela bez energetické spotřeby. Energie se však vynakládá na dodání těchto látek do těla – dýchací pohyby, vaření a zpracování v trávicím systému.

Energie, kterou srdce vynakládá na pohyb krve cévami, zajišťuje nejen transport všech látek včetně plynů krví, ale také tvorbu filtrátu (pohyb všech částic) v tkáních těla. a tvorbou moči.

Primární transport více iontů, z nichž hlavní je Na +, tedy zajišťuje přenos naprosté většiny látek v těle.

Všechny druhy dopravy hrají zásadní roli v životě buněk a těla jako celku. Zejména transport iontů zajišťuje tvorbu membránových potenciálů buněk svalové a nervové tkáně, jednou z funkcí nervových tkání je regulace různé systémy organismus.

Konec práce -

Toto téma patří:

Fyziologie dráždivých tkání

Význam studia sekce .. Sekce Fyziologie dráždivých tkání je studována jako první v rámci normální fyziologie Vzrušující tkáně hrají důležitou ..

Elektrické jevy v tkáních
1.2.1.Objev "živočišné elektřiny" Na konci XVIII. stol. (1786) profesor anatomie na univerzitě v Bologni, Luigi Galvani, provedl řadu experimentů, které znamenaly začátek celen

Místní potenciál (místní odezva)
Při podráždění excitabilní tkáně nedochází vždy k PD. Zejména pokud je síla stimulu malá, depolarizace nedosáhne kritické úrovně, přirozeně nedojde k šíření impulsu

Zákony dráždění dráždivých tkání
Odpověď dráždivé tkáně na působení podnětu závisí na dvou skupinách faktorů: na dráždivosti dráždivé tkáně a na vlastnostech podnětu. Buněčná dráždivost se mění

Testy úrovně 1-2 pro sebekontrolu znalostí

Model excitabilní membrány podle Hodgkin-Huxleyho teorie předpokládá regulovaný transport iontů přes membránu. Přímý přechod iontu přes lipidovou dvojvrstvu je však velmi obtížný a v důsledku toho by byl také malý tok iontů.

Tato a řada dalších úvah dala důvod se domnívat, že membrána musí obsahovat nějaké speciální struktury – vodivé ionty. Takové struktury byly nalezeny a pojmenovány iontové kanály. Podobné kanály byly izolovány z různých objektů: plazmatické membrány buněk, postsynaptické membrány svalových buněk a dalších objektů. Známé jsou také iontové kanály tvořené antibiotiky.

Hlavní vlastnosti iontových kanálů:

1) selektivita;

2) nezávislost provozu jednotlivých kanálů;

3) diskrétní charakter vodivosti;

4) závislost parametrů kanálu na membránovém potenciálu.

Zvažme je v pořadí.

1. Selektivita je schopnost iontových kanálů selektivně přenášet ionty jakéhokoli jednoho typu.

Již při prvních experimentech na axonu olihně bylo zjištěno, že ionty Na+ a Km mají různé účinky na membránový potenciál. Ionty K+ mění klidový potenciál a ionty Na+ akční potenciál. V modelu Hodgkin-Huxley je to popsáno zavedením nezávislých draslíkových a sodných iontových kanálů. Předpokládalo se, že první propustí pouze ionty K+ a druhý pouze ionty Na+.

Měření ukázala, že iontové kanály mají absolutní selektivitu s ohledem na kationty (kanály selektivní pro kationty) nebo na anionty (kanály selektivní pro anionty). Zároveň různé kationty různých chemické prvky, ale vodivost membrány pro minoritní iont, a tedy i proud skrz ni, bude výrazně nižší, například pro Na+-kanál bude draslíkový proud skrz něj 20krát menší. Schopnost iontového kanálu propouštět různé ionty se nazývá relativní selektivita a je charakterizována řadou selektivity - poměrem vodivosti kanálu pro různé ionty odebrané při stejné koncentraci. V tomto případě se pro hlavní iont bere selektivita jako 1. Například pro kanál Na + má tato řada tvar:

Na+:K+= 1:0,05.

2. Nezávislost jednotlivých kanálů. Průchod proudu jednotlivým iontovým kanálem je nezávislý na tom, zda proud protéká jinými kanály. Například kanály K + lze zapnout nebo vypnout, ale proud přes kanály Na + se nemění. Vzájemné ovlivnění kanálů nastává nepřímo: změna permeability jakýchkoli kanálů (například sodíku) mění membránový potenciál a již ovlivňuje vodivosti jiných iontových kanálů.

3. Diskrétní povaha vedení iontových kanálů. Iontové kanály jsou podjednotkový komplex proteinů, který překlenuje membránu. V jeho středu je trubice, kterou mohou procházet ionty. Počet iontových kanálů na 1 μm 2 povrchu membrány byl stanoven pomocí radioaktivně značeného blokátoru sodíkových kanálů - tetrodotoxinu. Je známo, že jedna molekula TTX se váže pouze na jeden kanál. Pak měření radioaktivity vzorku o známé ploše umožnilo ukázat, že na 1 μm 2 axonu olihně připadá asi 500 sodíkových kanálů.

Ty transmembránové proudy, které jsou měřeny v konvenčních experimentech, například na axonu olihně dlouhém 1 cm a průměru 1 mm, to znamená na ploše 3 * 10 7 μm 2, jsou způsobeny celkovou odezvou (změna v vodivost) 500 3 10 7 -10 10 iontových kanálů. Taková odezva je charakterizována postupnou změnou vodivosti v průběhu času. Odezva jednoho iontového kanálu se v průběhu času mění zásadně odlišným způsobem: diskrétně pro oba Na+ kanály, K+- a Ca2+ kanály.

To bylo poprvé objeveno v roce 1962 při studiích vodivosti lipidových dvojvrstvých membrán (BLM), kdy byla do roztoku promývacího membránu přidána mikrokvantita nějaké látky, která vyvolala excitaci. Podává se na BLM konstantní tlak a zaznamenal proud I(t). Záznam proudu v čase měl podobu skoků mezi dvěma vodivými stavy.

Jeden z efektivní metody Experimentální studií iontových kanálů byla metoda lokální fixace membránového potenciálu ("Patch Clamp") vyvinutá v 80. letech (obr. 10).

Rýže. 10. Způsob lokální fixace membránového potenciálu. ME - mikroelektroda, IR - iontový kanál, M - buněčná membrána, SFP - potenciální svorkový obvod, I - jednokanálový proud

Podstata metody spočívá v tom, že ME mikroelektroda (obr. 10) s tenkým koncem o průměru 0,5–1 μm je nasávána k membráně tak, že do jejího vnitřního průměru vstupuje iontový kanál. Potom je možné pomocí potenciálově upínacího obvodu měřit proudy, které procházejí pouze jedním kanálem membrány a ne všemi kanály současně, jak se to děje při použití standardní metoda fixační potenciál.

Výsledky experimentů provedených na různých iontových kanálech ukázaly, že vodivost iontového kanálu je diskrétní a může být ve dvou stavech: otevřený nebo uzavřený. K přechodům mezi stavy dochází v náhodných časech a řídí se statistickými vzory. Nelze říci, že se tento iontový kanál otevře přesně v tomto okamžiku. Dá se říci pouze o pravděpodobnosti otevření kanálu v určitém časovém intervalu.

4. Závislost parametrů kanálu na membránovém potenciálu. Iontové kanály nervových vláken jsou citlivé na membránový potenciál, například sodíkové a draslíkové kanály axonu olihně. To se projevuje tím, že po začátku depolarizace membrány se odpovídající proudy začnou měnit s tou či onou kinetikou. Tento proces probíhá následovně: Iontově selektivní kanál má senzor – nějaký prvek jeho konstrukce, který je citlivý na působení elektrické pole(obr. 11). Při změně membránového potenciálu se mění velikost síly, která na ni působí, v důsledku toho se tato část iontového kanálu pohybuje a mění pravděpodobnost otevření nebo zavření brány - jakýsi tlumič působící podle vše-nebo- nic zákon. Experimentálně bylo prokázáno, že působením depolarizace membrány se zvyšuje pravděpodobnost přechodu sodíkového kanálu do vodivého stavu. Napěťový skok na membráně, vzniklý při měření metodou upnutí potenciálu, vede k tomu, že se otevře velké množství kanálů. Projde jimi více nábojů, což znamená v průměru více proudu. Je důležité, aby proces růstu vodivosti kanálu byl určen zvýšením pravděpodobnosti přechodu kanálu do otevřeného stavu, a nikoli zvýšením průměru otevřený kanál. Toto je moderní myšlenka mechanismu průchodu proudu jediným kanálem.

Hladké kinetické křivky proudů zaznamenané při elektrická měření na velkých membránách, jsou získány jako výsledek součtu mnoha skokových proudů protékajících jednotlivými kanály. Jejich sčítání, jak je uvedeno výše, prudce snižuje kolísání a dává poměrně hladké časové závislosti transmembránového proudu.

Iontové kanály mohou být citlivé i na další fyzikální vlivy: mechanické deformace, chemické vazby atd. V tomto případě jsou strukturálním základem mechanoreceptorů, chemoreceptorů atd.

Studium iontových kanálů v membránách je jedním z důležitých úkolů moderní biofyziky.

Struktura iontového kanálu.

Iontově selektivní kanál se skládá z následujících částí (obr. 11): proteinová část ponořená do dvojvrstvy, která má podjednotkovou strukturu; selektivní filtr tvořený záporně nabitými atomy kyslíku, které jsou pevně umístěny v určité vzdálenosti od sebe a propouštějí ionty pouze určitého průměru; část brány.

Brány iontového kanálu jsou řízeny membránovým potenciálem a mohou být buď v uzavřeném stavu (přerušovaná čára) nebo v otevřeném stavu (plná čára). Normální poloha Brána sodíkového kanálu - uzavřena. Působením elektrického pole se zvyšuje pravděpodobnost otevřeného stavu, brána se otevře a tok hydratovaných iontů dostane příležitost projít selektivním filtrem.

Pokud se iont vejde do průměru, odhodí hydratační obal a přeskočí na druhou stranu iontového kanálu. Pokud má iont příliš velký průměr, jako je tetraethylamonium, není schopen projít filtrem a nemůže projít membránou. Pokud je naopak iont příliš malý, pak má potíže v selektivním filtru, tentokrát spojené s obtížností odhození hydratačního obalu iontu.

Blokátory iontových kanálů jím buď nemohou projít a uvíznou ve filtru, nebo, pokud se jedná o velké molekuly, jako je TTX, stericky odpovídají jakémukoli vstupu do kanálu. Protože blokátory nesou kladný náboj, jejich nabitá část je vtažena do kanálu k selektivnímu filtru jako běžný kationt a makromolekula jej ucpe.

Změny elektrických vlastností excitabilních biomembrán se tedy provádějí pomocí iontových kanálů. Jedná se o proteinové makromolekuly pronikající lipidovou dvojvrstvou, které mohou být v několika diskrétních stavech. Vlastnosti kanálů selektivních pro ionty K +, Na + a Ca 2+ mohou různě záviset na membránovém potenciálu, který určuje dynamiku akčního potenciálu v membráně, stejně jako na rozdílech v těchto potenciálech v membránách různých buněk.

Rýže. 11. Schéma struktury sodíkového iontového kanálu membrány v kontextu

Zpětná vazba.

— transmembránové proteiny které tvoří póry napříč cytoplazmatickými a jinými biologickými membránami, které pomáhají zakládat a spravovat elektrické napětí přes membrány všech živých buněk (tzv. membránový potenciál), což umožňuje pohyb určitých iontů po elektrochemickém gradientu.

Hlavní rysy

Iontové kanály regulují tok iontů přes membránu ve všech buňkách. Jsou to proteinové molekuly nebo komplex několika molekul, které pronikají skrz a skrz lipidovou vrstvu buněčné membrány. Uvnitř proteinu je průchozí otvor, popř je čas kterými se mohou ionty pohybovat. Pór se otevírá a zavírá pomocí pohybů proteinové molekuly vlastního kanálu nebo pomocných proteinů - tzv. "Mechanismus brány". Po otevření času se kanálem pohybují ionty, které jsou nuceny se pohybovat elektrochemickým gradientem na obou stranách buněčné membrány. Kanály jsou tedy vodiči pasivního transportu.

Pohyb iontů kanálem vede ke změně membránového potenciálu buňky nebo vstupu nových iontů do buňky (především iontů vápníku a chloridů). To dále vede ke změně funkce buňky. Transmembránový gradient je udržován pro několik malých iontů: kationty (Na +, Ca 2+, K +, H +) a anionty (Cl -, OH -). V živých organismech však existuje několik stovek genů kódujících různé iontové kanály. Tato rozmanitost souvisí zejména s rozmanitostí vratových mechanismů. Molekula proteinu kanálu vnímá určitý typ energie a v reakci na to mění svou konformaci tak, že se kanál otevře nebo zavře. běžný potenciálně závislý kanály, to znamená ty, které se otevírají v reakci na určitý potenciálový rozdíl přes membránu, a chemo-depozita kanály, to znamená ty, které mění konformaci po navázání na specifickou molekulu. Existují také kanály, které mění svou schopnost přenášet iontový proud v reakci na změny teploty, pH, tlaku na membránu, světla atd.

Molekulární struktura

Tyto komplexy mají obvykle formu válcové struktury složené z jedné nebo více identických, homologních nebo různých proteinových molekul těsně nabalených kolem vodou naplněného póru, který prochází lipidovou dvojvrstvou membrány. Pokud jsou tyto proteinové molekuly nebo kanálové podjednotky produkty stejného genu, pak kanál je homomer, pokud je odlišný, pak je to heterometr. Podle počtu podjednotek se rozlišují monomery, dimery, trimery, tetramery, pentamery, oktamery t. Např. draslíkové kanályčasto je homotetrameram - to znamená, že je tvořen čtyřmi stejnými podjednotkami. V konvenční nomenklatuře se podjednotky tvořící čas nazývají a-podjednotky, zatímco pomocné podjednotky jsou β, γ atd. Každá a-podjednotka se skládá z několika (2-7) transmembránových segmentů (což jsou nejčastěji a-helixy), P-smyčky, která spojuje čas, cytoplazmatické konce a extracelulární smyčky.

Vlastnosti iontových kanálů

• Selektivita je schopnost kanálu selektivně procházet určitým typem iontů. Selektivita je relativní: i vysoce selektivní kanály za určitých podmínek (iontové složení média, lipidové složení membrán, teplota atd.) mohou kromě hlavního iontu propouštět i další ionty. Ale za fyziologického stavu selektivity jsou kanály rozděleny na selektivní (například sodík nebo draslík) nebo neselektivní (kanály kationtů glutamátového receptoru). Selektivita se obvykle dosahuje specifickou strukturou pórů. Pór obsahuje selektivní filtr, který může mít průměr asi jednoho atomu, umožňující průchod pouze určitému typu iontů, např. sodíku nebo draslíku, nebo obsahuje vazebná místa, která mají afinitu pouze k určitým iontům (např. vápník).
• Permeabilita je schopnost konkrétního iontu projít kanálovým časem. Propustnost vyplývá přímo ze selektivity. Čím vyšší je selektivita kanálu, tím nižší je vodivost pro minoritní ionty.
• Vodivost je hodnota, která ukazuje počet iontů, které jsou schopny projít kanálem za jednotku času. Jednotkou vodivosti je Siemens.

Biologická role

Otevírání a zavírání iontových kanálů je základem přenosu nervových impulsů a vedení kanálů je základem pro fungování elektrických synapsí. Proto jsou iontové kanály extrémně důležité komponenty nervový systém. Ve skutečnosti většina útočných a obranných toxinů, které si organismy vyvinuly, přestala fungovat nervové soustavy predátoři a kořist (jako jsou jedy vylučované pavouky, škorpióny, hady, rybami, včelami, mořskými měkkýši a dalšími organismy) fungují díky blokování iontové Kalaly. Iontové kanály se podílejí na udržování napětí v eukaryotických mitochondriích a dále plazmatické membrány prokaryota, která slouží k získávání energie ve formě ATP – hlavního „paliva“ buněk. Kromě toho jsou četné iontové kanály odpovědné za širokou škálu biologických procesů, které se přitahují rychlá změna stavy buněk, jako je srdeční činnost, kontrakce kosterního a hladkého svalstva, transport živin epitelem, práce T-lymfocytů, sekrece hormonů. Při vývoji nových léků jsou velmi častým cílem iontové kanály.

Různé iontové kanály

V současné době neexistuje jednotná klasifikace iontových kanálů. Kanály jsou klasifikovány podle selektivity k iontům (aniontové, kationtové, sodíkové, draselné, chloridové atd.), podle aktivačního mechanismu (napěťově závislé, ligandové, depokingové, mechanoreceptory, teplotní depozity atd.), podle citlivosti na chemikálie (například ATP-dependentní, TTX-insensitivní), podle genetické homologie. V ukrajinské vědecké literatuře se navrhuje následující klasifikace:

• Ligandové iontové kanály
  • Cys-looped - homo- nebo heteropentamern
    • Neselektivní kationtové: nikotinový acetylcholinový receptor, serotoninový receptor
    • Selektivní chlorid: glycinový receptor, GABAA receptor, GABAC receptor
  • Glutamátové receptory - homo- nebo heterotetramery
    • AMPA receptory, kainátové receptory, NMDA receptory
  • Purinové receptory - homo- nebo heterotetramery
    • P2X receptory
• napěťově řízené iontové kanály
  • sodíkové kanály
    • citlivý na tetrodoxin
    • necitlivý na tetrodoxin
  • vápníkové kanály
    • typu L
    • N-typ
    • P / Q-typ
    • R-typ
    • T-typ - nízkoprahové vápníkové kanály
• draslíkové kanály
  • Potenciálně závislý
    • Související Shaker-Shab-Shal-Shaw
    • Související s KvLQT1
    • související s eag
    • související s erg
    • související s elc
  • vápníkem aktivovaný
    • vysoká vodivost BK
    • nízká vodivost SK
    • Na-, Cl-aktivováno
    • OH-aktivovaný
  • Oprava vstupu
    • GIRK regulovaný G-proteinem
    • ATP-dependentní draslíkové kanály K-ATP
  • Pozadí
    • duplex (2P)
• Kanály řízené cyklickými nukleotidy
• Depoker a arachidonické regulační kanály
• Kanály "přechodného receptorového potenciálu" (TRT)
  • • TRPC, "klasický"
    • TRPV, "vaniloidní" TRPV1
    • TRPM, "melastatin" TRPM8
    • TRPA, "ankyrin"
    • TRPP, "polycystin"
    • TRPML, "mukolipiny"
• Podobný degenerin závislý na sodíku
  • epiteliální ENaC
  • protonově citlivý ASIC
• Aniontové iontové kanály
  • Chlorové kanály ClC

Nemoci spojené s iontovými kanály

Porušení iontových kanálů často vede k onemocněním - kanálopatii. Hlavním důvodem těchto poruch jsou dědičné mutace, které ovlivňují strukturu kanálu, ale jsou možná i jiná poškození (metabolická, radiační atd.). Příklady kanálopatií:

• cystická fibróza
• srdeční arytmie
• syndrom brugada
• Timothyho syndrom
• generalizovaná epilepsie

Jak se studují iontové kanály

Membránová teorie

Cytologové se dlouho dohadovali o tom, jak buňka funguje. Soutěžily spolu dvě teorie: membránová a fázová. Membránová teorie předpokládala přítomnost semipermeabilní bariéry, která by oddělila cytoplazmu od mezibuněčného prostoru a vytvořila látkové gradienty. Fázová teorie přítomnost takové bariéry vyloučila a homeostázu v buňce udržují akceptorové proteiny různých látek – akceptory draslíku, sodíku, kyslíku, glukózy atd. Objev elektronové mikroskopie ukázal vítězství membránové teorie . Dalším krokem proto bylo studium vlastností membrány. Hodgkin a Bernard Katz objevili schopnost obrovského axonu olihně propouštět různé ionty při různých membránových potenciálech. Tak se objevila hypotéza o přítomnosti selektivních iontových kanálů. Následně se to bravurně potvrdilo.

Metody výzkumu

První studie iontových kanálů byly provedeny pomocí mikroelektrod na excitačních obřích buňkách. Vývoj mikroelektrodové technologie vedl k vytvoření metody pro fixaci potenciálu v místě membrány. Nejprve byly provedeny studie pouze na funkční úrovni, poté byly kanálové geny klonovány a byly studovány i geneticky a strukturně. Také iontové kanály jsou nyní uměle zaváděny do buněk, nemají téměř žádné vlastní kanály(vajíčka, imortalizační buněčné linie atd.), kde jsou studovány jejich funkce. Používá se řada molekulárně biologických a optických metod (PCR, kvantitativní PCR, jednobuněčná PCR, imunochemické metody, fluorescenční mikroskopie). Některé kanálové proteiny byly schopny krystalizovat a provádět rentgenovou difrakční analýzu. Jiné struktury jsou zatím uvažovány teoreticky.

Příspěvek ukrajinských vědců k výzkumu iontových kanálů

Ve Fyziologickém ústavu pojmenovaném po A.A. Bogomolets Národní akademie věd Ukrajiny od 50. let 20. století začaly studie elektrických vlastností buněk. Daniil Vorontsov, Platon Kostyuk, Michail Shuba stáli u zrodu tohoto díla. Kostyuk a Khrustal poprvé na světě prokázali přítomnost jednotlivých vápníkových kanálů v buněčné membráně nervových buněk. Později, pod vedením Platona Kostyuka, skupina Nikolaje Veselovského jako první popsala proudy přes vápníkové kanály typu T a skupina Olega Kryshtala - přes purinové a protonově citlivé kanály.

V roce 2005 rodák z Ukrajiny Jurij Kirichek (žák Olega Kryshtala) poprvé popsal proudění iontovými kanály spermií, konkrétně se mu podařilo otevřít pseudosenzitivní vápníkový kanál catSper.

selektivní(propustné pouze pro jeden typ iontů). Podle povahy iontů přecházejí do kanálků Na+, Ca++, Cl-, K+;

neselektivní(propustné pro několik typů iontů);

2) Podle způsobu regulace se dělí na:

potenciálně závislý(elektrobuditelné, potenciálně řízené)

Potenciál nezávislý(chemo-excitabilní, (závislý na ligandu-receptoru), chemo-kontrolovaný)

mechanoexcitabilní(mechanicky ovládané).

Odpočinkový a akční potenciál. Membránově-iontová teorie vzniku klidového potenciálu a působení. Lokální a šířící se buzení.

Bylo zjištěno, že membrána každé živé buňky je polarizovaná, vnitřní povrch je elektronegativní vzhledem k vnějšímu. Membránový potenciál je - (mínus) 70 - (90) mV. Při excitaci dochází k poklesu hodnoty počátečního klidového potenciálu s dobíjením membrány. Vytváření a udržování klidového potenciálu je způsobeno nepřetržitým pohybem iontů iontovými kanály membrány, neustále existujícím rozdílem v koncentracích kationtů na obou stranách membrány a nepřetržitým provozem sodíkovo-draselné pumpy. . Díky neustálému odstraňování sodíkového iontu z buňky a aktivnímu přenosu draselného iontu do buňky je zachován rozdíl v koncentracích iontů a polarizace membrány. Koncentrace draselného iontu v buňce převyšuje extracelulární koncentraci 30 - 40 krát, extracelulární koncentrace sodíku je přibližně o řád vyšší než intracelulární. Elektronegativita vnitřního povrchu membrány je dána přítomností v buňce přebytku aniontů organických sloučenin, absolutní hodnota klidového potenciálu (membránový potenciál, transmembránový potenciál, rovnovážný draslíkový potenciál) je dána především poměrem intra- a extracelulárních koncentrací draselných iontů a je uspokojivě popsána rovnicí Nernst: (1)

Moderní teorie také bere v úvahu:

1) rozdíl v koncentracích iontů sodíku, chloru a vápníku;

2) permeabilita (P) membrány pro každý iont v aktuálním čase.

Přítomnost klidového potenciálu umožňuje buňce téměř okamžitě po působení podnětu přejít ze stavu funkčního klidu do stavu excitace.

Výskyt akčního potenciálu (depolarizace)

I - membránový potenciál

1 - klidový potenciál, 2 - pomalá depolarizace, 3 - rychlá depolarizace, 4 - rychlá repolarizace, 5 - pomalá repolarizace, 6 - hyperpolarizace

II - vzrušivost

a - normální, b - zvýšená, c - absolutní žáruvzdornost,

d – relativní žáruvzdornost, e – nadnormálnost,

e - subnormalita

Akční potenciál (AP) se vyvíjí v přítomnosti počáteční polarizace membrány (klidový potenciál) v důsledku změny permeability iontových kanálů (sodíku a draslíku). Po působení podnětu se klidový potenciál snižuje, aktivace kanálků zvyšuje jejich propustnost pro ionty. sodík, který vstupuje do buňky a zajišťuje proces depolarizace. Vstup sodíkového iontu do buňky snižuje elektronegativitu vnitřního povrchu membrány, což přispívá k aktivaci nových sodíkových iontových kanálů a dalšímu vstupu sodíkového iontu do buňky. Síly při práci:

a) elektrostatická přitažlivost intracelulárních aniontových skupin;

b) koncentrační gradient sodných iontů směřující dovnitř buňky.

Vrchol akčního potenciálu je způsoben rovnováhou sodíkových iontů vstupujících do buňky a jejich rovnoměrným odstraňováním pod vlivem odpudivých sil podobně nabitých iontů.