İyon kanalları fizyolojisi. İyon kanalları, yapıları. İyon kanallarının sınıflandırılması. Sodyum ve potasyum kanalları. Ligand kapılı iyon kanalları

Hodgkin-Huxley teorisine göre uyarılabilir membran modeli, iyonların membran boyunca kontrollü taşınmasını varsayar. Bununla birlikte, bir iyonun lipit çift katmanından doğrudan geçişi çok zordur ve bu nedenle iyon akışı küçük olacaktır.

Bu ve diğer bazı düşünceler, zarın iletken iyonlar gibi bazı özel yapılar içermesi gerektiğine inanmamızı sağladı. Bu tür yapılar bulundu ve iyon kanalları olarak adlandırıldı. Benzer kanallar çeşitli nesnelerden izole edilmiştir: hücrelerin plazma zarı, kas hücrelerinin postsinaptik zarı ve diğer nesneler. Antibiyotiklerin oluşturduğu iyon kanalları da bilinmektedir.

İyon kanallarının temel özellikleri:

1) seçicilik;

2) bireysel kanalların işleyişinin bağımsızlığı;

3) iletkenliğin ayrık doğası;

4) kanal parametrelerinin membran potansiyeline bağımlılığı.

Sırasıyla bunlara bakalım.

1. Seçicilik, iyon kanallarının bir tür iyonun geçmesine seçici olarak izin verme yeteneğidir.

Kalamar aksonu üzerinde yapılan ilk deneylerde bile Na+ ve Kt iyonlarının membran potansiyeli üzerinde farklı etkileri olduğu keşfedilmiştir. K+ iyonları dinlenme potansiyelini, Na+ iyonları ise aksiyon potansiyelini değiştirir. Hodgkin-Huxley modeli bunu bağımsız potasyum ve sodyum iyon kanallarını tanıtarak açıklar. İlkinin yalnızca K+ iyonlarının geçmesine izin verdiği, ikincisinin ise yalnızca Na+ iyonlarının içinden geçtiği varsayılmıştır.

Ölçümler, iyon kanallarının katyonlara (katyon seçici kanallar) veya anyonlara (anyon seçici kanallar) karşı mutlak seçiciliğe sahip olduğunu göstermiştir. Aynı zamanda, çeşitli kimyasal elementlerin çeşitli katyonları katyon seçici kanallardan geçebilir, ancak küçük iyon için zarın iletkenliği ve dolayısıyla içinden geçen akım, örneğin Na + kanalı için önemli ölçüde daha düşük olacaktır. içinden geçen potasyum akımı 20 kat daha az olacaktır. Bir iyon kanalının farklı iyonları geçirme yeteneğine göreceli seçicilik denir ve bir seçicilik serisiyle - aynı konsantrasyonda alınan farklı iyonlar için kanal iletkenliklerinin oranı - karakterize edilir. Bu durumda ana iyon için seçicilik 1 olarak alınır. Örneğin Na+ kanalı için bu seri şu şekildedir:

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

2. Bireysel kanalların işleyişinin bağımsızlığı. Tek bir iyon kanalından geçen akım akışı, akımın diğer kanallardan geçip geçmediğinden bağımsızdır. Örneğin K+ kanalları açılıp kapatılabilir ancak Na+ kanallarından geçen akım değişmez. Kanalların birbirleri üzerindeki etkisi dolaylı olarak meydana gelir: bazı kanalların (örneğin sodyum) geçirgenliğindeki bir değişiklik, membran potansiyelini değiştirir ve bu, diğer iyon kanallarının iletkenliğini zaten etkiler.

3. İyon kanallarının iletkenliğinin ayrık doğası. İyon kanalları, zarı kaplayan proteinlerin bir alt birim kompleksidir. Merkezinde iyonların geçebileceği bir tüp vardır. 1 mikron 2 membran yüzeyi başına iyon kanalı sayısı, radyoaktif olarak etiketlenmiş bir sodyum kanalı bloke edici - tetrodotoksin kullanılarak belirlendi. Bir TTX molekülünün yalnızca bir kanala bağlandığı bilinmektedir. Daha sonra bilinen bir alana sahip bir numunenin radyoaktivitesinin ölçülmesi, 1 µm2 kalamar aksonu başına yaklaşık 500 sodyum kanalının bulunduğunu göstermeyi mümkün kıldı.

Geleneksel deneylerde, örneğin 1 cm uzunluğunda ve 1 mm çapında bir kalamar aksonunda, yani 3 * 10 7 μm2'lik bir alanda ölçülen transmembran akımları, toplam tepkiden kaynaklanmaktadır (değişim) iletkenlik) 500 3 10 7 -10 10 iyon kanalının. Bu yanıt, zaman içinde iletkenlikte yumuşak bir değişiklik ile karakterize edilir. Tek bir iyon kanalının tepkisi zamanla temelde farklı bir şekilde değişir: Na+ kanalları için ayrı ayrı, K+- ve Ca2+ kanalları için.

Bu, ilk olarak 1962'de lipit çift katmanlı membranların (BLM'ler) iletkenliği üzerine yapılan çalışmalarda, membranı çevreleyen çözeltiye belirli bir uyarım indükleyici maddenin mikro miktarları eklendiğinde keşfedildi. BLM'ye sabit bir voltaj uygulandı ve akım I(t) kaydedildi. Akım, zaman içinde iki iletken durum arasındaki sıçramalar şeklinde kaydedildi.

İyon kanallarının deneysel incelenmesi için etkili yöntemlerden biri, 80'lerde geliştirilen membran potansiyelinin lokal sabitlenmesi yöntemi (“Patch Clamp”) idi (Şekil 10).

Pirinç. 10. Membran potansiyelinin lokal olarak sabitlenmesi yöntemi. ME - mikroelektrot, IR - iyon kanalı, M - hücre zarı, SFP - potansiyel kelepçe devresi, I - tek kanallı akım

Yöntemin özü, 0,5-1 μm çapında ince uçlu ME mikroelektrotunun (Şekil 10), iyon kanalının iç çapına girecek şekilde membrana emilmesidir. Daha sonra, bir potansiyel kelepçe devresi kullanarak, standart potansiyel kelepçe yöntemini kullanırken olduğu gibi, tüm kanallardan aynı anda değil, yalnızca zarın tek bir kanalından geçen akımları ölçmek mümkündür.

Çeşitli iyon kanalları üzerinde yapılan deneylerin sonuçları, bir iyon kanalının iletkenliğinin ayrık olduğunu ve iki durumda olabileceğini gösterdi: açık veya kapalı. Durumlar arasındaki geçişler rastgele zamanlarda meydana gelir ve istatistiksel yasalara uyar. Belirli bir iyon kanalının tam olarak bu anda açılacağı söylenemez. Sadece belli bir zaman aralığında kanalın açılma ihtimali hakkında açıklama yapabilirsiniz.

4. Kanal parametrelerinin membran potansiyeline bağımlılığı. Sinir lifi iyon kanalları, kalamar aksonunun sodyum ve potasyum kanalları gibi membran potansiyeline duyarlıdır. Bu, membran depolarizasyonunun başlamasından sonra karşılık gelen akımların şu veya bu kinetikle değişmeye başlamasıyla ortaya çıkar. Bu işlem şu şekilde gerçekleşir: İyon seçici kanalın bir sensörü vardır - tasarımının bir kısmı elektrik alanının hareketine duyarlıdır (Şekil 11). Membran potansiyeli değiştiğinde, ona etki eden kuvvetin büyüklüğü değişir, bunun sonucunda iyon kanalının bu kısmı hareket eder ve kapının açılma veya kapanma olasılığını değiştirir - "hepsi veya" göre çalışan bir tür damper. hiçbir şey” yasası. Membran depolarizasyonunun etkisi altında sodyum kanalının iletken duruma geçme olasılığının arttığı deneysel olarak gösterilmiştir. Potansiyel kelepçe ölçümleri sırasında membran boyunca oluşan voltaj dalgalanması çok sayıda kanalın açılmasına neden olur. İçlerinden daha fazla yük geçer, bu da ortalama olarak daha fazla akımın akması anlamına gelir. Kanal iletkenliğini artırma sürecinin, açık kanalın çapındaki bir artışla değil, kanalın açık duruma geçme olasılığındaki bir artışla belirlenmesi önemlidir. Bu, akımın tek bir kanaldan geçiş mekanizmasının modern anlayışıdır.

Büyük membranlar üzerindeki elektriksel ölçümler sırasında kaydedilen akımların düzgün kinetik eğrileri, tek tek kanallardan akan birçok kademeli akımın toplanması nedeniyle elde edilir. Yukarıda gösterildiği gibi bunların toplamı, dalgalanmaları keskin bir şekilde azaltır ve zar ötesi akımın zamana oldukça düzgün bağımlılığını sağlar.

İyon kanalları diğer fiziksel etkilere de duyarlı olabilir: mekanik deformasyon, kimyasalların bağlanması vb. Bu durumda, bunlar sırasıyla mekanoreseptörlerin, kemo-reseptörlerin vb. yapısal temelidir.

Membranlardaki iyon kanallarının incelenmesi modern biyofiziğin önemli görevlerinden biridir.

İyon kanalının yapısı.

İyon seçici kanal aşağıdaki parçalardan oluşur (Şekil 11): bir alt birim yapısına sahip olan protein kısmının çift katmanına daldırılmıştır; birbirlerinden belirli bir mesafede sabit bir şekilde yerleştirilmiş ve belirli bir çaptaki iyonların geçmesine izin veren negatif yüklü oksijen atomlarından oluşan seçici bir filtre; kapı kısmı.

İyon kanalının kapısı, membran potansiyeli tarafından kontrol edilir ve kapalı durumda (kesikli çizgi) veya açık durumda (düz çizgi) olabilir. Sodyum kanalı kapısının normal konumu kapalıdır. Bir elektrik alanının etkisi altında açık durum olasılığı artar, kapı açılır ve hidratlanmış iyonların akışı seçici filtreden geçebilir.

İyon çapı uygunsa hidrasyon kabuğunu atar ve iyon kanalının diğer tarafına atlar. İyonun çapı tetraetilamonyum gibi çok büyükse filtreden geçemez ve membranı geçemez. Aksine, iyon çok küçükse, seçici filtrede zorluklar yaşanır, bu sefer iyonun hidrasyon kabuğunun atılmasının zorluğuyla ilişkilidir.

İyon kanalı blokerleri ya içinden geçemez, filtrede sıkışıp kalır ya da TTX gibi büyük moleküllerse kanalın bazı girişleriyle sterik olarak eşleşirler. Blokerler pozitif yük taşıdıkları için yüklü kısmı sıradan bir katyon gibi seçici filtreye kanala çekilir ve makromolekül onu tıkar.

Böylece uyarılabilir biyomembranların elektriksel özelliklerindeki değişiklikler iyon kanalları kullanılarak gerçekleştirilir. Bunlar, lipit çift katmanına nüfuz eden ve birkaç ayrı durumda bulunabilen protein makromolekülleridir. K + , Na + ve Ca 2 + iyonları için seçici olan kanalların özellikleri, membrandaki aksiyon potansiyelinin dinamiklerini belirleyen membran potansiyeline ve farklı hücrelerin membranlarındaki bu potansiyellerdeki farklılıklara farklı şekilde bağlı olabilir. .

Pirinç. 11. Membranın sodyum iyon kanalının yapısının kesit diyagramı

Geri bildirim.

İyon kanalları (IC), birkaç ilmek şeklinde hücre zarı boyunca hücre zarına nüfuz eden ve zarda bir geçiş kanalı (gözenek) oluşturan integral (transmembran) proteinler tarafından oluşturulan zar moleküler yapılarıdır. Kanal proteinleri, gözeneklere ek olarak genellikle ek moleküler sistemlerin bulunduğu karmaşık bir uzaysal konfigürasyona sahip bir yapı oluşturan alt birimlerden oluşur: açma, kapama, seçicilik, inaktivasyon, alım ve düzenleme. IC'ler kontrol maddelerine (ligandlara) bağlanmak için bir değil birden fazla bölgeye (bölgeye) sahip olabilir.

IC'ler karmaşık yapıya sahip proteinlerden (kanal oluşturucu proteinler) oluşur.

IR proteinleri, bir zar ötesi gözenek oluşturan belirli bir yapıya sahiptir ve zarın lipit tabakasına "dikilir". Bir kanal protein kompleksi, yapı olarak aynı veya farklı olan bir protein molekülünden veya birkaç protein alt biriminden oluşabilir. Bu alt birimler farklı genler tarafından kodlanabilir, ribozomlarda ayrı ayrı sentezlenebilir ve daha sonra tam bir kanal halinde birleştirilebilir. Başka bir durumda kanal, membranı ilmekler halinde birkaç kez geçen tek bir polipeptit olabilir. 21. yüzyılın başında, biyosentezi için insan genomunun% 1-2'sinin kullanıldığı 400'den fazla kanal oluşturucu protein bilinmektedir.

Alanlar, bir kanal proteininin veya alt birimlerinin ayrı, kompakt biçimde oluşturulmuş parçalarıdır. Segmentler, kanal oluşturucu proteinin sarılmış ve zarı diken parçalarıdır. Kanal oluşturucu proteinin terminal alanları (N- ve C-terminal alanları), hücrenin hem dışında hem de içinde membrandan çıkıntı yapabilir.

Hemen hemen tüm IC'ler alt birimlerinde bulunur düzenleyici alanlarçeşitli kontrol maddelerine (düzenleyici moleküller) bağlanabilen ve böylece kanalın durumunu veya özelliklerini değiştirebilen. Voltajla aktifleşen IR'de, transmembran segmentlerinden biri pozitif yüklü özel bir amino asit seti içerir ve şu şekilde çalışır: elektrik potansiyeli sensörü membranlar. Potansiyel değiştiğinde, böyle bir sensör kanalın durumunu açıktan kapalıya veya tam tersi şekilde değiştirir. Dolayısıyla IC belirli dış etkiler tarafından kontrol edilebilir, bu onların önemli özelliğidir.

IC ayrıca şunları içerebilir: aksesuar alt birimleri modülatör, yapısal veya stabilize edici işlevlerin yerine getirilmesi. Bu tür alt birimlerin bir sınıfı tamamen sitoplazmada yer alan hücre içidir ve ikincisi membrana bağlıdır, çünkü zarı kaplayan zar ötesi alanlara sahiptirler.

İyon kanallarının sınıflandırılması:

Etkinleştirme türüne göre
-Voltaja bağlı
-Liganda bağımlı

Mekanik olarak etkinleştirildi

Seçiciliğe göre
-Seçici (Na, K, Ca, Cl)
-Seçici olmayan

Kinetik olarak
-Hızlı
-Yavaş

Karışık

Sodyum kanalı

Sinir ve kas hücrelerinde aksiyon potansiyellerinin gelişimi sırasında depolarizasyon aşamasından sorumlu olan, sodyum iletkenliğinde hızlı bir artış sağlayan voltaj kapılı bir iyon kanalıdır. Memeli dokularından izole edilen kanalların moleküler ağırlığı ~335.000'dir. Na+ kanalları çeşitli toksinlerle, özellikle de kanal proteinlerine çok güçlü bağlanan tetrodotoksin, saksitoksin ve akrep α-toksini ile etkileşime girer ve kantitatif biyokimyasal ölçümlerde kullanılabilir.

Potasyum kanalı

Voltaj kapılı K kanalları hem plazma membranında hem de sarkoplazmik retikulumda bulunur. Bu kanalların ortak özelliği, tetraetilamonyum, 4-aminopiridin ve Cs'nin önleyici etkisine karşı duyarlılıktır, ancak bu inhibitörlerin farklı kanal alt tipleri üzerindeki etkinliği önemli ölçüde farklılık gösterir. Bu kanallar depolarizasyonla aktive edilir ve aksiyon potansiyeli sırasında membranı yeniden polarize eder. Etkinleştirilmelerinin hızı düşüktür - 100 ms'den birkaç saniyeye kadar.

5. Heyecanlanma kavramı. Nöromüsküler sistemin uyarılabilirliğinin parametreleri: tahriş eşiği (reobaz), faydalı süre (kronaksi). Tahrişin şiddetinin etki zamanına bağlılığı (Goorweg-Weiss eğrisi). Refrakterlik.

Heyecanlanma bazı fizyolojik sistemlerin dış veya iç etkilere özel bir tepkiyle (bir aksiyon potansiyelinin üretilmesi) yanıt verme yeteneğidir (özelliğidir).

(İnsan vücudunda) uyarılabilen hücrelere - kas, sinir, salgı - denir heyecanlı. Diğer tüm hücreler sinirlidir. Bundan, sinirliliğin canlı sistemlerin daha genel bir özelliği olduğu, uyarılabilirliğin ise sinirliliğin özel ve uzmanlaşmış bir tezahürü olduğu sonucu çıkmaktadır.

Herhangi bir uyarılabilir sistem için, uyarılmaya neden olan kendi minimum uyaran gücü vardır. O ismi aldı eşik veya reobaz.

Herhangi bir uyaranın uyarılma reaksiyonuna yol açabilmesi için en azından belirli bir süre etki etmesi gerekir; bu süreye denir gizli veya kullanışlı zaman.

Kronaksi - Bu, 2 eşik (2 reobaz) değerindeki bir uyaranın faydalı süresinin özel bir durumudur.

Kararsızlık- uyarılabilir bir sistemin birim zamanda yeniden üretebileceği uyarılabilirliğin veya dürtülerin maksimum ritminin bir ölçüsü. Kararsızlığın büyüklüğü mutlak refrakter fazın süresiyle ters orantılıdır; 1/ARF (sn).

Kanun tahriş süresi. Doku tepkisi tahrişin süresine bağlıdır ancak belirli sınırlar dahilinde gerçekleştirilir ve doğru orantılıdır. Tahrişin gücü ile eylemin zamanı arasında bir ilişki vardır. Bu ilişki kuvvet-zaman eğrisi olarak ifade edilir. Bu eğriye Goorweg-Weiss-Lapick eğrisi denir. Eğri, uyarı ne kadar güçlü olursa olsun belirli bir süre etki etmesi gerektiğini gösteriyor. Süre kısaysa yanıt oluşmaz. Uyaran zayıfsa, ne kadar uzun süre etki ederse etsin bir yanıt oluşmaz. Uyarının gücü giderek artar ve belli bir anda doku tepkisi oluşur. Bu kuvvet bir eşik değerine ulaşır ve reobaz (birincil tepkiye neden olan minimum uyarı kuvveti) olarak adlandırılır. Reobaza eşit bir akımın çalıştığı süreye faydalı süre denir.

Kuvvet-zaman/süre grafiği (Goorweg-Weiss-Lapick eğrisi)

Refrakterlik– (uyarılabilir dokuların fizyolojik özelliği) dokuda meydana gelen uyarılma ile eşzamanlı olarak uyarılabilirlikte geçici bir azalma. Dirençlilik mutlak (herhangi bir uyarana yanıt yoktur) ve göreceli (uyarılabilirlik yeniden sağlanır ve doku eşik altı veya eşik üstü uyarıya yanıt verir) olabilir;

6. İyon pompaları (ATPazlar): K+-Na+-e, Ca2+-e (plazmolemma ve sarkoplazmik retikulum). N+-K+-lbmennik.

12. İyon kanalları...

Bir iyon kanalı birkaç alt birimden oluşur; tek bir iyon kanalındaki sayıları 3 ila 12 alt birim arasında değişir. Organizasyonları açısından, kanala dahil olan alt birimler homolog (aynı türden) olabilir; farklı türdeki alt birimler tarafından çok sayıda kanal oluşturulur.

Alt birimlerin her biri birkaç (üç veya daha fazla) transmembran segmentinden (a-helisler halinde bükülmüş polar olmayan parçalar), hücre dışı ve hücre içi halkalardan ve alanların terminal bölümlerinden (alanı oluşturan moleküllerin kutup bölgeleri ile temsil edilir) oluşur ve Membranın bilipid tabakasının ötesine çıkıntı yapar).

Transmembran bölümlerinin, hücre dışı ve hücre içi halkaların ve alanların terminal bölümlerinin her biri kendi işlevini yerine getirir.

Böylece, bir a-sarmal formunda düzenlenen zar-ötesi segment 2, kanalın seçiciliğini belirler.

Alanın terminal bölümleri, hücre dışı ve hücre içi ligandlar için sensör görevi görür ve zar ötesi bölümlerden biri, voltaja bağlı bir sensör rolünü oynar.

Alt ünitedeki üçüncü zar ötesi bölümler, geçit kanalı sisteminin vb. çalışmasından sorumludur.

İyon kanalları kolaylaştırılmış difüzyon mekanizmasıyla çalışır. Kanallar etkinleştirildiğinde iyonların bunların içinden hareketi bir konsantrasyon gradyanını takip eder. Membran boyunca hareket hızı saniyede 10 iyondur.

İyon kanallarının özgüllüğü.

Çoğu seçicidir, yani. yalnızca bir tür iyonun geçmesine izin veren kanallar (sodyum kanalları, potasyum kanalları, kalsiyum kanalları, anyon kanalları).

Kanal seçiciliği.

Kanalın seçiciliği, seçici bir filtrenin varlığıyla belirlenir.

Rolü, yalnızca belirli türdeki iyonların kanala geçmesine izin veren, belirli bir yüke, konfigürasyona ve boyuta (çapa) sahip olan kanalın ilk bölümü tarafından oynanır.

İyon kanallarından bazıları, sızıntı kanalları gibi seçici değildir. Bunlar, K + iyonlarının bir konsantrasyon gradyanı boyunca hareketsiz hücreyi terk ettiği membran kanallarıdır, ancak bu kanallar aracılığıyla az miktarda Na + iyonu da bir konsantrasyon gradyanı boyunca hareketsiz hücreye girer.

İyon kanalı sensörü.

İyon kanalı sensörü, kanalın doğası farklı olabilen sinyalleri algılayan hassas kısmıdır.

Bu temelde aşağıdakiler ayırt edilir:

voltaj kapılı iyon kanalları;

reseptör kapılı iyon kanalları;

liganda bağlı (liganda bağımlı);

mekanik olarak kontrol edilir (mekanik olarak bağımlı).

Sensörü olan kanallara kontrollü denir. Bazı kanalların sensörü yoktur. Bu tür kanallara kontrol edilemeyen kanallar denir.

İyon kanalı geçit sistemi.

Kanalın hareketsizken kapalı olan ve bir sinyale maruz kaldığında açılan bir kapısı vardır. Bazı kanalların iki tür kapısı vardır: aktivasyon (m-kapısı) ve inaktivasyon (h-kapısı).

İyon kanallarının üç durumu vardır:

kapı kapalıyken ve kanala iyonlar erişemediğinde bir dinlenme durumu;

aktivasyon durumu, kapı sistemi açık olduğunda ve iyonlar kanal boyunca membran boyunca hareket ettiğinde;

kanalın kapalı olduğu ve uyaranlara yanıt vermediği bir inaktivasyon durumu.

İletim hızı (iletim).

Hızlı ve yavaş kanallar var. Nöronlardaki “sızıntı” kanalları yavaş, sodyum kanalları ise hızlıdır.

Herhangi bir hücrenin zarı, aktivasyonu hücrelerin fonksiyonel durumunu belirleyen geniş bir dizi (hız açısından) iyon kanalı içerir.

Gerilim kontrollü kanallar.

Gerilim kontrollü kanal aşağıdakilerden oluşur:

suyla dolu gözenekler;

• seçici filtre;

  aktivasyon ve inaktivasyon kapıları;

  voltaj sensörü.

Kanalın çapı iyonun çapından önemli ölçüde daha büyüktür, seçici filtre bölgesinde atom boyutlarına kadar daralır, bu da kanalın bu bölümünün seçici bir filtre işlevini yerine getirmesini sağlar.

Kapı mekanizmasının açılması ve kapanması, membran potansiyeli değiştiğinde, kapının membran potansiyelinin bir değerinde açılması ve farklı bir membran potansiyeli seviyesinde kapanmasıyla meydana gelir.

Membranın elektrik alanındaki değişikliklerin, kanal duvarının voltaj sensörü adı verilen özel bir bölümü tarafından algılandığına inanılmaktadır.

Membran potansiyeli seviyesindeki bir değişikliğin neden olduğu durumundaki bir değişiklik, kanalı oluşturan protein moleküllerinin konformasyonuna neden olur ve sonuç olarak iyon kanalı kapısının açılmasına veya kapanmasına yol açar.

Kanalların (sodyum, kalsiyum, potasyum) dört homolog alanı vardır - alt birimler (I, II, III, IV). Alan (sodyum kanalları örneğini kullanarak), her biri farklı bir rol oynayan, a-helisler şeklinde düzenlenen altı zar ötesi bölümden oluşur.

Böylece, zar-ötesi bölüm 5 bir gözenek rolünü oynar, zar-ötesi bölüm 4, zar potansiyelindeki değişikliklere yanıt veren bir sensördür, diğer zar-ötesi bölümler, kanalın kapı sisteminin aktivasyonundan ve etkisizleştirilmesinden sorumludur. Bireysel transmembran segmentlerinin ve alt birimlerinin rolü tam olarak anlaşılmamıştır.

Uyarılabilir doku hücrelerinde sodyum kanalları (iç çap 0,55 nm) bulunur. 1 mikron 2 başına yoğunluk farklı dokularda aynı değildir.

Böylece, miyelinsiz sinir liflerinde 50-200 kanal ve miyelinli sinir liflerinde (Ranvier düğümleri) - 1 µm2 membran alanı başına 13.000 kanaldır. Dinlenme durumunda kapalıdırlar. Membran potansiyeli 70-80 mV'dir.

Bir uyarana maruz kalma, membran potansiyelini değiştirir ve voltaj kapılı sodyum kanalını aktive eder.

Membran potansiyeli dinlenme potansiyeli seviyesinden kritik depolarizasyon seviyesine doğru kaydığında aktive olur.

Güçlü bir sodyum akımı, membran potansiyelini kritik depolarizasyon seviyesine (CDL) kaydırır.

Membran potansiyelinin -50-40 mV'a değiştirilmesi, yani. kritik bir depolarizasyon seviyesine kadar, gelen sodyum akımının iletildiği diğer voltaj kapılı Na + kanallarının açılmasına neden olarak aksiyon potansiyelinin "zirvesini" oluşturur.

Konsantrasyon gradyanı boyunca sodyum iyonları ve kanal boyunca kimyasal gradyan, hücrenin içine hareket ederek, gelen sodyum akımını oluşturur ve bu, depolarizasyon sürecinin daha hızlı gelişmesine yol açar.

Membran potansiyeli +10-20 mV'nin tersine işaret değiştirir. Pozitif membran potansiyeli sodyum kanallarının kapanmasına ve inaktivasyonuna neden olur.

Gerilim kapılı No+ kanalları, aksiyon potansiyelinin oluşumunda öncü bir rol oynar; Hücredeki uyarılma süreci.

Kalsiyum iyonları voltaj kapılı sodyum kanallarının açılmasını engelleyerek yanıt parametrelerini değiştirir.

İLE + -kanallar

Sitoplazmik membranlarda potasyum kanalları (iç çap 0,30 nm) mevcuttur; hücreden önemli sayıda potasyum “sızıntı” kanalı tespit edilmiştir.

Dinlenme sırasında açıktırlar. Bunlar aracılığıyla, dinlenme durumunda, potasyum bir konsantrasyon gradyanı ve bir elektrokimyasal gradyan boyunca hücreden "sızar".

Bu sürece, dinlenme membran potansiyelinin (-70-80 mV) oluşmasına yol açan, giden potasyum akımı denir. Bu potasyum kanalları yalnızca şartlı olarak voltaj kapılı olarak sınıflandırılabilir.

Depolarizasyon sırasında membran potansiyeli değiştiğinde, potasyum akımı etkisiz hale gelir.

Repolarizasyon sırasında potansiyel kapılı kanallar aracılığıyla gelen bir K+ akımı oluşturulur ve buna K+ gecikmeli doğrultma akımı adı verilir.

Başka bir voltaj kapılı K + kanalı türü. Membran potansiyelinin eşik altı bölgesinde (pozitif iz potansiyeli) bunlar boyunca hızlı giden bir potasyum akımı belirir. Kanalın inaktivasyonu, iz hiperpolarizasyonundan dolayı meydana gelir.

Başka bir voltaj kapılı potasyum kanalı türü, yalnızca ön hiperpolarizasyondan sonra etkinleştirilir; hızlı bir şekilde etkisiz hale gelen hızlı, geçici bir potasyum akımı oluşturur.

Kalsiyum iyonları, yanıt parametrelerini değiştirerek voltaj kapılı potasyum kanallarının açılmasını kolaylaştırır.

CA + -kanallar.

Voltaj kapılı kanallar hem sitoplazmaya kalsiyum girişinin düzenlenmesine hem de elektrogeneze önemli katkı sağlar.

Kalsiyum kanallarını oluşturan proteinler beş alt birimden (al,a2,b,g,d) oluşur.

Ana alt birim kanalın kendisini oluşturur ve çeşitli kalsiyum kanal modülatörleri için bağlanma bölgeleri içerir.

Memeli sinir hücrelerinde (A, B, C, D ve E olarak adlandırılır) yapısal olarak farklı birkaç a-kalsiyum kanalı alt birimi keşfedilmiştir.

İşlevsel olarak, farklı kalsiyum kanalı türleri aktivasyon, kinetik, tek kanal iletkenliği ve farmakoloji açısından birbirinden farklılık gösterir.

Hücrelerde en fazla altı tipte voltaj kapılı kalsiyum kanalı tanımlanmıştır (T - , L - , N - , P - , Q - , R - kanalları).

Plazma zarı voltaj kapılı kanalların aktivitesi, çeşitli hücre içi ikinci haberciler ve zara bağlı G proteinleri tarafından düzenlenir.

Voltaj kapılı kalsiyum kanalları, nöronların sitoplazmik membranlarında, düz, çizgili ve kalp kaslarının miyositlerinde ve endoplazmik retikulumun membranlarında büyük miktarlarda bulunur.

SPR Ca2+ kanalları, SPR membranına gömülü oligomerik proteinlerdir.

CA 2+ - Sa tarafından kontrol ediliyor 2+ - SPR kanalları.

Bu kalsiyum kanalları ilk olarak iskelet ve kalp kasından izole edildi.

Bu kas dokularındaki SPR Ca2+ kanallarının moleküler farklılıklara sahip olduğu ve farklı genler tarafından kodlandığı ortaya çıktı.

Kalp kaslarındaki SPR'nin Ca2+ kanalları, kalsiyum bağlayıcı proteinler yoluyla plazmalemmanın (L tipi) yüksek eşikli Ca2+ kanallarına doğrudan bağlanır, böylece işlevsel olarak aktif bir yapı - bir "üçlü" oluşturur.

İskelet kasında, plazma zarının depolarizasyonu, plazma zarının Ca2+ kanallarının doğrudan Ca2'ye aktive edici sinyalin voltaja duyarlı vericileri olarak görev yapması nedeniyle endoplazmik retikulumdan Ca2+ salınımını doğrudan aktive eder. + bağlayıcı proteinler aracılığıyla SPR kanalları.

Dolayısıyla iskelet kaslarındaki Ca2+ depoları, depolarizasyonun (RyRl tipi) neden olduğu Ca2+ salınımına yönelik bir mekanizmaya sahiptir.

İskelet kaslarının aksine, kardiyomiyositlerin endoplazmik Ca2+ kanalları plazmalemmaya bağlı değildir ve depodan Ca2+ salınımını uyarmak için sitozolik kalsiyum konsantrasyonunda (RyR2 tipi) bir artış gereklidir.

Bu iki tip Ca2+ ile aktifleştirilen Ca 2h kanalına ek olarak, henüz yeterince araştırılmamış olan üçüncü tip bir Ca2+ kanalı SPR (RyR3 tipi) yakın zamanda tanımlanmıştır.

Tüm kalsiyum kanalları, sodyum kanallarına kıyasla yavaş aktivasyon ve yavaş inaktivasyon sergiler.

Bir kas hücresi depolarize olduğunda (sitoplazmik zarların çıkıntıları - T-tübülleri endoplazmik retikulumun zarlarına yaklaştığında), sarkoplazmik retikulumun zarlarının kalsiyum kanallarının voltaja bağlı bir açılması meydana gelir.

Bir yandan SPR'deki kalsiyum konsantrasyonu yüksek (kalsiyum deposu) ve sitoplazmadaki kalsiyum konsantrasyonu düşük olduğundan, diğer yandan SPR membranının alanı ve kalsiyum kanallarının yoğunluğu içinde büyüktür, sitoplazmadaki kalsiyum seviyesi 100 kat artar.

Kalsiyum konsantrasyonundaki bu artış, miyofibril kasılma sürecini başlatır.

Kardiyomiyositlerdeki kalsiyum kanalları sitoplazmik membranda bulunur ve L tipi kalsiyum kanallarına aittir.

+20-40 mV membran potansiyelinde aktive edilirler ve gelen bir kalsiyum akımı oluştururlar. Uzun süre aktif durumda kalırlar ve kardiyomiyositlerin aksiyon potansiyelinin bir "platosunu" oluştururlar.

Anyon kanalları.

Hücre zarındaki en fazla sayıda klor kanalı. Hücreler arası ortama kıyasla hücrede daha az klorür iyonu vardır. Bu nedenle kanallar açıldığında klor, konsantrasyon gradyanı ve elektrokimyasal gradyan boyunca hücreye girer.

HCO3 için kanal sayısı o kadar büyük değil, bu anyonun kanallar boyunca taşınma hacmi önemli ölçüde daha azdır.

İyon değiştiriciler.

Membran, iyonların kolaylaştırılmış difüzyonunu kolaylaştıran iyon değiştiricileri (taşıma proteinleri) içerir; İyonların bir konsantrasyon gradyanı boyunca biyomembran boyunca hızlandırılmış birleşik hareketi; bu tür işlemler ATP'den bağımsızdır.

En iyi bilinenleri Na + -H + , K + -H + , Ca 2+ -H + değiştiricilerin yanı sıra Na + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ anyonları için katyon değişimini sağlayan değiştiriciler ve katyonun katyona (Na + -Ca 2+) veya anyonun anyona (Cl-HCO3) değişimini sağlar.

Reseptör kapılı iyon kanalları.

Ligand kapılı (liganda bağımlı) iyon kanalları.

Ligand kapılı iyon kanalları, reseptör kapılı kanalların bir alt tipidir ve her zaman biyolojik olarak aktif bir maddeye (BAS) yönelik bir reseptör ile birleştirilir.

Söz konusu kanalların reseptörleri, biyolojik olarak aktif maddelerle (ligandlar) etkileşimi hızlı reaksiyonlarla sonuçlanan iyonotropik tipteki membran reseptörlerine aittir.

Ligand kapılı bir iyon kanalı aşağıdakilerden oluşur:

suyla dolu gözenekler;

seçici filtre;

aktivasyon kapısı;

ligand bağlanma bölgesi (reseptör). Enerjik olarak aktif biyolojik olarak aktif bir maddenin yüksek bir

belirli bir reseptör türü için afinite (afinite). İyon kanalları etkinleştirildiğinde, belirli iyonlar bir konsantrasyon gradyanı ve bir elektrokimyasal gradyan boyunca hareket eder.

Bir membran reseptöründe ligand bağlama sahasına, membranın dış yüzeyinden ligand tarafından erişilebilir.

Bu durumda hormonlar, parahormonlar ve iyonlar ligand görevi görür.

Böylece N-kolinerjik reseptörler aktive edildiğinde sodyum kanalları aktive olur.

Kalsiyum geçirgenliği, nöronal asetilkolin kapılı, glutamat kapılı (NMDA ve AMPA/kainat tipi) reseptörler ve pürin reseptörleri tarafından başlatılır.

GABA A reseptörleri klorür iyon kanallarına bağlanır ve glisin reseptörleri de klorür kanallarına bağlanır.

Bir membran reseptöründe ligand bağlama sahasına, membranın iç yüzeyinden ligandlar tarafından erişilebilir.

Bu durumda ikinci haberciler tarafından aktive edilen protein kinazlar veya ikinci habercilerin kendisi ligand görevi görür.

Böylece protein kinaz A, C, G, katyon kanalı proteinlerini fosforile ederek geçirgenliklerini değiştirir.

Mekanik olarak kontrol edilen iyon kanalları.

Mekanik olarak kapılanan iyon kanalları, lipit çift katmanının gerilimini değiştirerek veya hücre hücre iskeleti yoluyla iyonlara karşı iletkenliklerini değiştirir. Mekanik olarak kontrol edilen kanalların çoğu mekanoreseptörlerle ilişkilidir; işitsel hücrelerde, kas iğciklerinde ve damar endotelinde bulunurlar.

Mekanik olarak kontrol edilen tüm kanallar iki gruba ayrılır:

gerilerek aktive edilen hücreler (SAC);

gerilmeyle inaktive edilmiş hücreler (SIC).

Mekanik olarak kontrol edilen kanallar tüm ana kanal özelliklerine sahiptir:

suyla dolu zaman;

kapı mekanizması;

uzatma sensörü.

Bir kanal etkinleştirildiğinde iyonlar bir konsantrasyon gradyanı boyunca hareket eder.

Sodyum, potasyum ATPaz.

Sodyum, potasyum ATPaz (sodyum-potasyum pompası, sodyum-potasyum pompası).

Dört transmembran alanından oluşur: iki a-alt birimi ve iki β-alt birimi. α alt birimi büyük alandır ve β alt birimi küçük alandır. İyon taşınması sırasında büyük alt birimler fosforile edilir ve iyonlar bunlar arasında hareket eder.

Sodyum, potasyum ATPaz, hücre içi ve hücre dışı ortamda sodyum ve potasyum homeostazisinin korunmasında kritik bir rol oynar:

hücrede yüksek düzeyde K + ve düşük düzeyde Na + tutar;

dinlenme membran potansiyelinin oluşumuna ve aksiyon potansiyellerinin oluşumuna katılır;

çoğu organik maddenin membran boyunca Na + bağlı taşınmasını sağlar (ikincil aktif taşıma);

H2O homeostazisini önemli ölçüde etkiler.

Bir potasyum ATPaz olan sodyum, hücre dışı ve hücre içi boşluklarda iyonik asimetri oluşumuna en önemli katkıyı sağlar.

Sodyum ve potasyum pompasının adım adım çalışması, zar boyunca eşit olmayan potasyum ve sodyum değişimini sağlar.

CA + -ATPaz (pompa).

Ca2+ iyonlarının sitoplazmadan uzaklaştırılmasından sorumlu iki Ca2+ pompası ailesi vardır: Plazmalemmanın Ca2+ pompaları ve endoplazmik retikulumun Ca2+ pompaları.

Her ne kadar aynı protein ailesine (P sınıfı ATPazlar olarak anılır) ait olsalar da, bu pompalar yapı, fonksiyonel aktivite ve farmakoloji açısından bazı farklılıklar gösterir.

Sitoplazmik membranda büyük miktarlarda bulunur. Dinlenme halindeki hücrenin sitoplazmasında kalsiyum konsantrasyonu 10-7 mol/l'dir ve hücrenin dışında çok daha yüksektir - 10-3 mol/l.

Konsantrasyonlardaki bu kadar önemli bir fark, sitoplazmik Ca ++ -ATPaz'ın çalışması nedeniyle korunur.

Plazma zarı Ca2+ pompasının aktivitesi doğrudan Ca2+ tarafından kontrol edilir: sitozoldeki serbest kalsiyum konsantrasyonundaki bir artış Ca2+ pompasını aktive eder.

Dinlenme durumunda kalsiyum iyon kanallarından neredeyse hiç difüzyon yoktur.

Ca-ATPaz, Ca'yı konsantrasyon gradyanına karşı hücreden hücre dışı ortama taşır. Bir gradyan boyunca Ca+ iyon kanalları yoluyla difüzyon nedeniyle hücreye girer.

Endoplazmik retikulumun zarı ayrıca büyük miktarda Ca ++ -ATPaz içerir.

Endoplazmik retikulum kalsiyum pompası (SERCA), kalsiyumun sitozolden endoplazmik retikuluma (birincil aktif taşıma nedeniyle bir kalsiyum “deposu”) uzaklaştırılmasını sağlar.

Depoda kalsiyum, kalsiyum bağlayıcı proteinlere (calsequestrin, calreticulin, vb.) Bağlanır.

SERCA pompalarının en az üç farklı izoformu artık tanımlanmıştır.

SERCA1 alt tipleri özellikle hızlı iskelet kaslarında yoğunlaşmıştır; SERCA2 pompaları ise diğer dokulara yaygın biçimde dağılmıştır. SERCA3 pompalarının önemi daha az açıktır.

SERCA2 proteinleri iki farklı izoforma ayrılır: kardiyomiyositlerin ve düz kasların özelliği olan SERCA2a ve beyin dokusunun özelliği olan SERCA2b.

Sitozolik Ca2+ seviyesindeki bir artış, kalsiyum iyonlarının endoplazmik retikuluma alımını aktive ederken, endoplazmik retikulum içindeki serbest kalsiyumdaki bir artış SERCA pompalarını inhibe eder.

H+ K+ -ATPase (pompa).

Bu pompa yardımıyla (bir ATP molekülünün hidrolizi sonucu), hücre içindeki bir molekülün hidrolizi sırasında iki potasyum iyonu hücre dışı boşluktan hücreye, iki H+ iyonu da sitozolden hücre dışı boşluğa taşınır. mide mukozasının parietal hücreleri. Bu mekanizma midede hidroklorik asit oluşumunun temelini oluşturur.

İyon pompası sınıfıF.

Mitokondriyal ATPaz. ATP sentezinin son aşamasını katalize eder. Mitokondriyal kriptler, Krebs döngüsündeki oksidasyonu ve ADP'nin ATP'ye fosforilasyonunu birleştiren ATP sentazını içerir.

İyon pompası sınıfıV.

Lizozomal H + -ATPazlar (lizozomal proton pompaları) - H +'nın sitozolden bir dizi organele - lizozomlara, Golgi aparatına, salgı keseciklerine taşınmasını sağlayan proton pompaları. Sonuç olarak, örneğin lizozomlarda pH değeri 5,0'a düşer, bu da bu yapıların aktivitesini optimize eder.

İyon taşınmasının özellikleri

1. Önemli ve asimetrik transmembran! dinlenme halindeki Na + ve K + için gradyan.

Hücre dışındaki sodyum (145 mmol/l), hücredekinden (14 mmol/l) 10 kat daha fazladır.

Hücre içinde (140 mmol/l), hücre dışına göre (4 mmol/l) yaklaşık 30 kat daha fazla potasyum bulunur.

Sodyum ve potasyum iyonlarının dağılımının bu özelliği:

Na + /K + -nacoca'nın çalışmasıyla homeostatik;

dinlenme halindeyken giden bir potasyum akımı oluşturur (kaçak kanalı);

dinlenme potansiyelini oluşturur;

herhangi bir potasyum kanalının (voltaja bağlı, kalsiyuma bağlı, ligand bağımlı) çalışması, giden bir potasyum akımının oluşumunu amaçlamaktadır.

Bu ya membranın durumunu orijinal seviyesine döndürür (repolarizasyon fazı sırasında voltaja bağlı kanalların aktivasyonu) ya da membranı hiperpolarize eder (ikinci haberci sistemler tarafından aktive edilenler dahil kalsiyuma bağımlı, ligand bağımlı kanallar).

Lütfen şunu unutmayın:

potasyumun membran boyunca hareketi pasif taşıma ile gerçekleştirilir;

uyarılmanın (aksiyon potansiyeli) oluşumu her zaman gelen sodyum akımından kaynaklanır;

herhangi bir sodyum kanalının aktivasyonu her zaman içe doğru bir sodyum akımına neden olur;

Sodyumun membran boyunca hareketi neredeyse her zaman pasif taşıma yoluyla gerçekleştirilir;

dokulardaki (ince bağırsak, nefron tübülleri vb.) çeşitli tüplerin ve boşlukların duvarlarını oluşturan epitel hücrelerinde, dış zarda her zaman çok sayıda sodyum kanalı vardır ve bu kanallar, aktivasyon üzerine gelen bir sodyum akımı sağlar; ve bodrum zarında - sodyumu hücrenin dışına pompalayan çok sayıda sodyum, potasyum pompası. Sodyum için bu taşıma sistemlerinin bu asimetrik dağılımı, onun hücre içi taşınmasını sağlar; bağırsak lümeninden böbrek tübüllerinden vücudun iç ortamına;

Sodyumun elektrokimyasal bir gradyan boyunca hücreye pasif taşınması, birçok maddenin ikincil aktif taşınması için kullanılan enerjinin birikmesine yol açar.

2. Hücrenin sitozolünde düşük kalsiyum seviyesi.

Dinlenme halindeki hücredeki kalsiyum içeriği (50 nmol/l), hücre dışındakinden (2,5 mmol/l) 5000 kat daha düşüktür.

Sitozoldeki bu kadar düşük bir kalsiyum seviyesi tesadüfi değildir, çünkü başlangıçtaki konsantrasyondan 10-100 kat daha yüksek konsantrasyonlardaki kalsiyum, sinyalin uygulanmasında ikinci bir hücre içi haberci görevi görür.

Bu koşullar altında, sitoplazmik membranda ve endoplazmik retikulumun membranında (endoplazmik retikulum) büyük miktarlarda bulunan kalsiyum kanallarının aktivasyonu (kolaylaştırılmış difüzyon) nedeniyle sitozolde kalsiyumun hızlı bir şekilde artması mümkündür. hücredeki kalsiyum “deposu”).

Kanalların açılması nedeniyle ortaya çıkan kalsiyum akılarının oluşumu, sitozoldeki kalsiyum konsantrasyonunda fizyolojik olarak önemli bir artış sağlar.

Hücrenin sitozolündeki düşük kalsiyum seviyesi, Ca2+ -ATPaz, Na+/Ca2+ değiştiriciler ve sitozolün kalsiyum bağlayıcı proteinleri tarafından korunur.

Sitosolik Ca2+'nin hücre içi Ca2+ bağlayıcı proteinler tarafından hızlı bağlanmasına ek olarak, sitozole giren kalsiyum iyonları Golgi aygıtı veya hücre çekirdeği tarafından biriktirilebilir ve mitokondriyal Ca2+ depoları tarafından yakalanabilir.

3. Kafesteki düşük klor seviyesi.

Dinlenme halindeki hücredeki klor içeriği (8 mmol/l), hücrenin dışındakinden (110 mmol/l) 10 kat daha düşüktür.

Bu durum K+/Cl- taşıyıcısının çalışmasıyla korunur.

Hücrenin işlevsel durumundaki değişiklik, zarın klora geçirgenliğindeki bir değişiklikle ilişkilidir (veya buna neden olur). Voltaj ve ligand kapılı klor kanalları aktive edildiğinde iyon, pasif taşıma yoluyla kanal yoluyla sitozole girer.

Ayrıca klorun sitozole girişi Na+/K+/2CH yardımcı taşıyıcısı ve CH-HCO3 değiştiricisi sayesinde oluşur.

Klorun hücreye girişi, zarın polaritesini hiperpolarizasyona kadar arttırır.

İyon taşınmasının özellikleri, bilgiyi kodlayan ve bu yapıların işlevsel durumunu ve bunların bir işlevsel durumdan diğerine geçişini belirleyen organ ve dokularda biyoelektrik olayların oluşumunda temel bir rol oynar.

Canlı dokularda bulunan tüm kanallar ve artık yüzlerce kanal tipini biliyoruz, iki ana tipe ayrılabilir. İlk tür dinlenme kanalları, Herhangi bir dış etki olmadan kendiliğinden açılıp kapanan. Dinlenme membran potansiyelini oluşturmak için önemlidirler. İkinci tip sözde kapı kanalları, veya portal kanalları("kapı" kelimesinden) . Dinlenme halindeyken bu kanallar kapalıdır ve belirli uyaranların etkisi altında açılabilir. Bu tür kanalların bazı türleri, aksiyon potansiyellerinin üretilmesinde rol oynar.

Çoğu iyon kanalı karakterize edilir seçicilik(seçicilik), yani belirli bir kanal türünden yalnızca belirli iyonların geçmesi. Bu özelliğe göre sodyum, potasyum, kalsiyum ve klorür kanalları ayırt edilir. Kanalların seçiciliği gözeneğin boyutuna, iyonun boyutuna ve hidrasyon kabuğuna, iyonun yüküne ve ayrıca kanalın iç yüzeyinin yüküne göre belirlenir. Ancak iki tür iyonu aynı anda geçirebilen seçici olmayan kanallar da vardır: örneğin potasyum ve sodyum. Tüm iyonların ve hatta daha büyük moleküllerin geçebileceği kanallar vardır.

İyon kanallarının bir sınıflandırması vardır: etkinleştirme yöntemi(Şekil 9). Bazı kanallar, nöronun hücre zarındaki fiziksel değişikliklere spesifik olarak yanıt verir. Bu grubun en önemli temsilcileri voltajla etkinleştirilen kanallar. Örnekler arasında aksiyon potansiyelinin oluşumundan sorumlu olan, membran üzerindeki voltaja duyarlı sodyum, potasyum ve kalsiyum iyon kanalları yer alır. Bu kanallar belli bir membran potansiyelinde açılır. Böylece yaklaşık -60 mV potansiyelde sodyum ve potasyum kanalları açılır (zarın iç yüzeyi dış yüzeye göre negatif yüklüdür). Kalsiyum kanalları -30 mV potansiyelde açılır. Fiziksel değişikliklerle etkinleştirilen kanal grubu şunları içerir:

Şekil 9. İyon kanallarını aktive etme yöntemleri

(A) Membran potansiyeli veya membran gerilmesindeki değişikliklerle aktive edilen iyon kanalları. (B) Hücre dışı veya hücre içi taraftan kimyasal ajanlar (ligandlar) tarafından etkinleştirilen iyon kanalları.

Ayrıca mekanosensitif kanallar Mekanik strese (hücre zarının gerilmesi veya deformasyonu) yanıt verenler. Başka bir grup iyon kanalı, kimyasallar kanal molekülü üzerindeki özel reseptör bağlanma bölgelerini aktive ettiğinde açılır. Çok ligandla aktifleşen kanallar Reseptör merkezlerinin hücre içi veya hücre dışı olmasına bağlı olarak iki alt gruba ayrılırlar. Hücre dışı uyaranlara yanıt veren ligandla aktive edilen kanallara da denir. İyonotropik reseptörler. Bu tür kanallar vericilere karşı duyarlıdır ve sinaptik yapılardaki bilgilerin iletilmesinde doğrudan rol oynarlar. Sitoplazmik taraftan etkinleştirilen ligandla etkinleştirilen kanallar, spesifik iyonların konsantrasyonundaki değişikliklere duyarlı olan kanalları içerir. Örneğin, kalsiyumla aktifleşen potasyum kanalları, hücre içi kalsiyum konsantrasyonundaki lokal artışlarla aktive edilir. Bu tür kanallar, aksiyon potansiyelinin sona ermesi sırasında hücre zarının repolarizasyonunda önemli bir rol oynar. Kalsiyum iyonlarına ek olarak hücre içi ligandların tipik temsilcileri siklik nükleotitlerdir. Örneğin siklik GMP, retina çubuklarındaki sodyum kanallarının aktivasyonundan sorumludur. Bu tür kanal görsel analizörün çalışmasında temel bir rol oynar. Hücre içi bir ligandı bağlayarak kanal işleminin ayrı bir modülasyonu, hücre içi enzimlerin (protein kinazları ve protein fosfatazları) etkisi altında protein molekülünün belirli bölümlerinin fosforilasyonu/defosforilasyonudur.

Kanalların aktivasyon yöntemine göre sunulan sınıflandırması büyük ölçüde keyfidir. Bazı iyon kanalları yalnızca birkaç uyaranla etkinleştirilebilir. Örneğin, kalsiyumla etkinleşen potasyum kanalları aynı zamanda potansiyeldeki değişikliklere karşı da duyarlıdır ve bazı voltajla etkinleşen iyon kanalları hücre içi ligandlara karşı duyarlıdır.

İyon kanalları, iyonların konsantrasyon gradyanı boyunca pasif taşınmasını sağlayan entegre proteinlerdir. Taşıma enerjisi, zarın her iki tarafındaki iyon konsantrasyonundaki farktır (zar ötesi iyon gradyanı).

Seçici olmayan kanallar aşağıdaki özelliklere sahiptir:

· tüm iyon türlerinin geçmesine izin verir, ancak K+ iyonlarının geçirgenliği diğer iyonlara göre önemli ölçüde daha yüksektir;

• her zaman açıktır.

Seçici kanallar aşağıdaki özelliklere sahiptir:

· yalnızca bir tür iyonun geçmesine izin verir; her iyon türü için kendi kanal türü vardır;

• 3 durumdan birinde olabilir: kapalı, etkin, devre dışı.

Seçici kanalın seçici geçirgenliği sağlanır seçici filtre, kanalın en dar noktasında bulunan negatif yüklü oksijen atomlarından oluşan bir halkadan oluşur.

Kanalın durumunun değiştirilmesi kapı mekanizmasının çalışmasıyla sağlanır. , iki protein molekülü ile temsil edilir. Bunlara protein molekülleri denir. Aktivasyon kapıları ve başlatma kapıları, konformasyonlarını değiştirerek iyon kanalını bloke edebilir.

Dinlenme durumunda aktivasyon kapısı kapalıdır, inaktivasyon kapısı açıktır (kanal kapalıdır) (Şekil 2.3). Kapı sistemine bir sinyal etki ettiğinde aktivasyon kapısı açılır ve kanal boyunca iyon aktarımı başlar (kanal etkinleştirilir). Hücre zarının önemli derecede depolarizasyonu ile inaktivasyon kapısı kapanır ve iyon taşınması durur (kanal inaktive edilir). MP seviyesi geri yüklendiğinde kanal orijinal (kapalı) durumuna geri döner.

Aktivasyon kapısının açılmasına neden olan sinyale bağlı olarak seçici iyon kanalları ikiye ayrılır:

· kemosensitif kanallar – aktivasyon kapısının açılmasına yönelik sinyal, kanala bir ligandın bağlanması sonucunda kanalla ilişkili reseptör proteininin yapısında meydana gelen bir değişikliktir.

• voltaja duyarlı kanallar - aktivasyon kapısını açma sinyali, hücre zarının MP'sinde (depolarizasyon), kritik depolarizasyon seviyesi (CLD) olarak adlandırılan belirli bir seviyeye kadar bir azalmadır;

Aktivasyon yöntemine göre ayırt edilirler:

· voltajla etkinleştirilen iyon kanalları (kapalı durumdan açık duruma ve geriye geçiş, membran potansiyeli değiştiğinde protein molekülünün konformasyonu ile gerçekleştirilir). Bir örnek, bir aksiyon potansiyelinin oluşturulması sırasında hücrenin depolarizasyonunu belirleyen voltaj kapılı sodyum kanalıdır.

· mekanosensitif iyon kanalları (hücre zarına mekanik bir uyarı uygulandığında, örneğin cilt mekanoreseptörleri etkinleştirildiğinde açılır).

· ligandla aktifleşen iyon kanalları. Aktivasyon yöntemine göre, ligandın zarın hangi tarafına etki ettiğine bağlı olarak iki gruba (hücre dışı ve hücre içi) ayrılırlar. Nöromüsküler sinapsta uyarımın sinaptik iletimi sırasında bir uyaran (örneğin asetilkolin), dış yüzeyinde bulunan bir reseptöre (bu örnekte, bir iyon kanalının birkaç protein alt biriminden biri olan bir kolinerjik reseptör) etki ediyorsa Kas hücre zarında katyonlar için geçirgen bir iyon kanalı açılacaktır. Ligandla aktive edilen kanallar hücredeki ikinci habercilere bağlıysa, sitoplazmadaki belirli iyonların konsantrasyonu değiştiğinde açık duruma geçişleri meydana gelir. Bunun bir örneği, hücredeki kalsiyum iyonlarının konsantrasyonu arttığında aktive olan kalsiyumla aktifleşen potasyum kanalıdır. Bu tür kanallar, aksiyon potansiyelinin sonunda membran repolarizasyonunda rol alır.

Membran potansiyeli kavramı, denge iyon potansiyeli ve dinlenme potansiyeli. Güçlü dinlenmenin varlığının koşulları ve nedenleri. Denklem alanın sabitidir.Memb potansiyel fonksiyonu.

Dinlenme potansiyelinin varlığının koşulları ve nedenleri.

Hesaplamalar ve deneysel veriler, "operasyonel" dinlenme durumundaki vücudun tüm hücrelerinin belirli bir derecede polarizasyonla karakterize edildiğini göstermektedir. Her hücrenin plazmalemması yüklüdür ve istirahat halindeyken iç yüzeyinde hücreler arası ortama göre negatif bir potansiyel korunur. Farklı hücrelerdeki zar ötesi potansiyel farkı farklıdır, ancak her yerde birkaç on milivolta ulaşır. Mikroelektrot teknolojisini kullanarak, bir deneyde hücre zarının her iki tarafındaki gerçek potansiyel farkını doğrudan ölçmek mümkün oldu.

Hangi iyonlar ve iyon kanalları biyoelektrojenezi sağlar? Artık dinlenme potansiyeline ve aksiyon potansiyeline ana katkıyı dört iyonun yaptığı bilinmektedir. Na + K + Ca ++ Cl - belirli koşullar altında karşılık gelen iyon kanallarına nüfuz edebilir (veya nüfuz edemez).

Belirli bir iyonun (yüklü) membrandan geçebilmesi için aşağıdaki koşulların mevcut olması gerekir:

1. Bir konsantrasyon gradyanının varlığı (iyon pompalarının çalışmasıyla oluşturulur)

2. Elektrokimyasal bir gradyanın varlığı (yüklü parçacıkların konsantrasyonlarının toplamı ve membranın her iki tarafındaki katyonları ve anyonları ayırmak için iyon kanallarının özelliklerinin toplamı tarafından oluşturulur).

3. Uygun kanalların açık durumda bulunması.

Şu tarihte: dinlenme potansiyeli hücre zarının iç tarafı, işareti (negatiflik) şu şekilde belirlenen bir yüke sahiptir: sitoplazmada organik anyonların varlığı(proteinler ve amino asitler) iyon kanallarından geçemez ve karşı iyon eksikliği– Potasyum iyon kanallarından nüfuz edebilen potasyum katyonları, bunun sonucunda hücrede aşırı miktarda negatif iyon oluşturulur ve interstisyumda aşırı miktarda pozitif yük oluşturulur. Hücredeki negatif yükün ve hücreler arası boşluktaki pozitif yükün büyüklüğü matematiksel olarak tahmin edilebilir, ancak yalnızca nispeten basit durumlar için, örneğin dev kalamar aksonu için.

Dinlenme potansiyelinin büyüklüğü, Hodgkin, Goldman ve Katz tarafından önerilen sabit alan denklemiyle bilinen bir yaklaşımla tanımlanır.

Vm=RT/zFln ((pko+pNa o +pCl i) / (pki+pNa i +pCl i))

Kavramlar karıştırılmamalı membran potansiyeli, denge potansiyeli Ve dinlenme potansiyeli.

Membran potansiyeli, bazı iyonların iyon kanallarına nüfuz etme yeteneğini belirleyen, zarın her iki tarafına etki eden yüklerin toplamı ile belirlenir.

Denge potansiyeli, aynı iyonların zıt yönde akması karşılığında tek tek iyonların açık kanallardan nüfuz etme yeteneğine rağmen, belirli bir iyonun zardan geçen toplam akımının sıfır olduğu hücre plazmalemmasının potansiyelidir. Nernst denklemi ile belirlenir.

Dinlenme membran potansiyelinin fonksiyonları:

1. Membran polarizasyonu uyarılma ve inhibisyon için bir koşuldur.

2. Polarizasyon, presinaptik sondan verici salınımının hacmini belirler.

3. PP, voltaj kapılı kanalların kapalı durumda olması için koşullar yaratır (zar polarizasyonu, aksiyon potansiyelinin oluşması için koşullar yaratır).

SİNİR SİSTEMİNİN GENEL FİZYOLOJİSİ

Sinir merkezi kavramı.

Sinir merkezi- Koordineli aktivitesi vücudun bireysel fonksiyonlarının veya belirli bir refleks eyleminin düzenlenmesini sağlayan merkezi sinir sisteminin bir dizi yapısı. Sinir merkezinin yapısal ve fonksiyonel temeli fikri, merkezi sinir sistemindeki fonksiyonların lokalizasyonu doktrininin gelişim tarihi ile belirlenir. Sinir merkezlerinin özellikleri:

2. Merkezi sinir sisteminin sinir kompleksleri yoluyla uyarılmanın yavaş iletimi. Bir hücrelerarası temasın sinaptik gecikmesi T syn yaklaşık 0,5-2 ms'dir. Ağda n nöron varsa beyindeki sinyalin toplam gecikme süresi n×T syn'ye karşılık gelir ve oldukça önemli olabilir. Dolaylı olarak, merkezi sinir sistemi yoluyla sinyal iletim zamanını bilerek (refleksiyonun toplam süresi ve sinir gövdeleri boyunca iletim için harcanan süre dikkate alınarak hesaplanır), yaydaki sinaptik anahtarların (n) sayısı tahmin edilebilir. belirli bir refleksin

4. Uyarımın tek taraflı iletiminin yanı sıra sinaptik girdilerin farklılaşması ve yakınsaması, kapalı sinir devreleri boyunca uyarımın (yankılanma) dolaşımı için morfolojik bir substrat oluşturur. Bu fenomenin kısa süreli hafızanın altında yattığına inanılıyor.

5. Çekirdeklerde ilişkili bazı nöronlar aşağıdakilerle karakterize edilir: arka plan etkinliği. Membranın özelliklerine göre belirlenir ve spontan depolarizasyona bağlıdır. Diğer nöronlar "sessizdir" ve yalnızca sinaptik girişler etkinleştirildiğinde AP'ler üretirler.

6. Yüzeylerinde bulunan nöronlar ve sinapslar, beyin omurilik sıvısında bulunan çeşitli maddelere, sinyal moleküllerine ve metabolitlere karşı duyarlılıkla karakterize edilir.

7. yorgunluk ile karakterize edilir, bunun sebeplerinden biri mevcut aracının rezervlerinde bir azalma ve sentez oranının düşük olmasıdır.

8. plastisite. Rahatlama, güçlenme (tetanik sonrası tetanik, uzun süreli), depresyon, reseptörlerin özellikleri, iz süreçleri ve nöronların yüzeyinde yeni sinaptik temasların veya reseptörlerin ortaya çıkmasıyla belirlenir.

Beynin sinir ağları yönlü, tek taraflı olarak karakterize edilir. (doğrusal) uyarma iletimi. Sinaptik temaslarla birbirine bağlanan bir nöron zinciri varsa, o zaman kimyasal sinapsların, presinaptik sondan sinaptik yarığa bir verici salma ve onu postsinaptik membran üzerinde lokalize bir reseptör tarafından alma özelliği nedeniyle, vektörü Sinir ağındaki uyarı yayılımı, sonraki postsinaptik nörona doğru yönlendirilir. Bu prensibin yaygın bir örneği kanundur. Bella-Magendie(afferent lifler omuriliğe sırt köklerinden girer, motor lifleri omuriliği ventral köklerden terk eder).

Süreçler yakınsamaçeşitli sinir hücrelerinden aynı nörona çeşitli uyarı akışlarının yakınsamasından oluşur (bkz. bölüm 4.1.4). Yakınsama süreci yalnızca aynı tipteki sinir hücrelerinin karakteristik özelliği değildir. Örneğin, omuriliğin motor nöronlarında, birincil afferent liflere ek olarak, supraspinal ve spinal merkezlerden gelen çeşitli inen yolların lifleri ile uyarıcı ve inhibitör internöronlardan gelen lifler birleşir. Sonuç olarak, omurilik motor nöronları, motor fonksiyonun düzenlenmesiyle ilgili, beynin suprasegmental aparatı da dahil olmak üzere çok sayıda sinir yapısı için ortak bir son yol olarak işlev görür.

uyuşmazlık Bir sinir hücresinin çeşitli sinir hücreleriyle çok sayıda sinaptik bağlantı kurma yeteneğidir. Bu sayede, bir sinir hücresi birkaç farklı reaksiyona katılabilir, uyarımı önemli sayıda diğer nöronlara iletebilir, bu da daha fazla sayıda nöronu uyarabilir ve merkezi sinir oluşumlarındaki uyarıcı sürecin geniş bir şekilde ışınlanmasını sağlayabilir.

Bir nöronun yapısı.

Fonksiyonel olarak omurilik nöronları 4 ana gruba ayrılabilir:

1) motor nöronlar veya motor nöronlar, aksonları ön kökleri oluşturan ön boynuzların hücreleridir;

2) internöronlar - omurilik ganglionlarından bilgi alan ve arka boynuzlarda bulunan nöronlar. Bu nöronlar ağrıya, sıcaklığa, dokunmaya, titreşime, propriyoseptif uyarıya yanıt verir;

3) sempatik ve parasempatik nöronlar ağırlıklı olarak yan boynuzlarda bulunur. Bu nöronların aksonları, ventral köklerin bir parçası olarak omurilikten çıkar;

4)) birleşme hücreleri - omuriliğin kendi aparatının nöronları, segmentler içinde ve arasında bağlantılar kurar.

Motor nöronlar. Motor nöron aksonu, terminalleri ile yüzlerce kas lifini innerve ederek bir motor nöron ünitesi oluşturur.

Ara nöronlar. Saniyede 1000'e kadar frekansta uyarı üreten bu ara nöronlar arka planda aktiftir ve dendritlerinde 500'e kadar sinaps bulunur. Internöronların işlevi, omuriliğin yapıları arasındaki bağlantıları düzenlemek ve omuriliğin bireysel bölümlerinin hücreleri üzerindeki artan ve azalan yolların etkisini sağlamaktır. Ara nöronların çok önemli bir işlevi, uyarılma yolunun yönünün korunmasını sağlayan nöronal aktivitenin engellenmesidir.

Otonom sistemin sempatik bölümünün nöronları. Torasik omurilik segmentlerinin yan boynuzlarında bulunur. Bu nöronlar arka planda aktiftir ancak nadir bir ateşleme hızına sahiptirler (saniyede 3-5).

Otonom sistemin parasempatik bölümünün nöronları. Sakral omurilikte lokalizedirler ve arka planda aktiftirler.

Nöroglia veya glia, çeşitli şekillerde özel hücrelerin oluşturduğu sinir dokusunun hücresel elemanlarının bir koleksiyonudur. Nöroglial hücreler nöronlar arasındaki boşlukları doldurarak beyin hacminin %40'ını oluşturur. Glia hücreleri Sinirli olanlardan 3-4 kat daha küçük boyutta; Kişi yaşlandıkça beyindeki nöron sayısı azalır ve glial hücre sayısı artar. Sınıflandırma:

Astrositler, oval şekilli çekirdeklere ve az miktarda kromatin içeren çok işlemli hücrelerdir. Astrositlerin boyutu 7-25 mikrondur. esas olarak beynin gri maddesinde bulunur. Astrositlerin çekirdekleri DNA içerir, protoplazmada lamel kompleksi, bir sentrizom ve mitokondri bulunur. astrositler nöronlar için bir destek görevi görür, sinir gövdelerinin onarıcı süreçlerini sağlar, sinir liflerini izole eder ve nöronların metabolizmasına katılır. Astrosit süreçleri, kılcal damarları saran ve neredeyse tamamen kaplayan "bacaklar" oluşturur. Sonuç olarak nöronlar ve kılcal damarlar arasında yalnızca astrositler bulunur. Görünüşe göre maddelerin kandan nörona ve geri taşınmasını sağlıyorlar. Astrositler, kılcal damarlar ile beynin ventriküllerinin boşluklarını kaplayan ependim arasında köprüler oluşturur. Bunun, kan ile beyin ventriküllerinin beyin omurilik sıvısı arasındaki değişimi sağladığına, yani astrositlerin bir taşıma işlevi yerine getirdiğine inanılmaktadır.

Oligodendrositler az sayıda işleme sahiptir. Astrositlere göre boyutları daha küçüktür. Serebral kortekste oligodendrosit sayısı üst katmanlardan alt katmanlara doğru artar. Subkortikal yapılarda ve beyin sapında korteksten daha fazla oligodendrosit vardır. Oligodendrositler aksonların miyelinasyonunda (bu nedenle beynin beyaz maddesinde daha fazlası vardır), nöronların metabolizmasında ve ayrıca nöronların trofizminde rol oynar.

Mikroglia, gezici hücrelere ait en küçük çok işlemli glial hücrelerle temsil edilir. Mikroglia'nın kaynağı mezodermdir. Mikroglial hücreler fagositoz yeteneğine sahiptir.

14.Hücreler arası temaslarla ilgili modern fikirler.

Sinapslar, nöronları bağımsız varlıklar olarak kuran temaslardır. Sinaps karmaşık bir yapıdır ve presinaptik bir kısımdan (sinyali ileten aksonun sonu), bir sinaptik yarıktan ve bir postsinaptik kısımdan (alıcı hücrenin yapısı) oluşur.

Sinapsların sınıflandırılması. Sinapslar konuma, eylemin doğasına ve sinyal iletim yöntemine göre sınıflandırılır.

Lokasyona göre nöromüsküler, sinapslar ve nörononöronal olarak sınıflandırılırlar; ikincisi ise sırasıyla akso-somatik, aksoaksonal, aksodendritik, dendrosomatik olarak ayrılır.

Algısal yapı üzerindeki etkinin niteliğine göre sinapslar uyarıcı veya engelleyici olabilir.

Sinyal iletim yöntemine göre sinapslar elektriksel, kimyasal ve karışık olarak ayrılır.

Nöronların etkileşiminin doğası. Bu etkileşimin yöntemiyle belirlenir: uzak, bitişik, temas.

Vücudun farklı yapılarında yer alan iki nöron sayesinde uzak etkileşim sağlanabilmektedir. Örneğin, bir dizi beyin yapısının hücrelerinde, diğer bölümlerin nöronları üzerindeki humoral nöronları etkileyebilen nörohormonlar ve nöropeptitler oluşur.

Nöronlar arasındaki bitişik etkileşim, nöronların zarları yalnızca hücreler arası boşlukla ayrıldığında meydana gelir. Tipik olarak bu tür bir etkileşim, nöronların zarları arasında hiçbir glial hücrenin bulunmadığı durumlarda meydana gelir. Bu tür bir bitişiklik, koku alma sinirinin aksonlarının, beyincikteki paralel liflerin vb. Karakteristiktir. Bitişik etkileşimin, komşu nöronların tek bir işlevin yerine getirilmesine katılımını sağladığına inanılmaktadır. Bu özellikle, hücreler arası boşluğa giren nöron aktivitesinin ürünleri olan metabolitlerin komşu nöronları etkilemesi nedeniyle oluşur. Bitişik etkileşim, bazı durumlarda elektriksel bilginin nörondan nörona aktarılmasını sağlayabilir.