Мембранните протеини като йонни канали. Селективни и неселективни канали

Йонни каналипредставени от интегрални мембранни протеини. Тези протеини са способни, при определени влияния, да променят своята конформация (форма и свойства) по такъв начин, че порите, през които всеки йон може да премине, се отварят или затварят. Известни са натриеви, калиеви, калциеви и хлорни канали; понякога един канал може да премине два йона, например, известни са натриево-калциевите канали. Чрез йонни канали се осъществява само пасивен транспорт на йони.Това означава, че за да се движи един йон, е необходим не само отворен канал, но и концентрационен градиент за този йон. В този случай йонът ще се движи по концентрационен градиент - от област с по-висока концентрация към област с по-ниска концентрация. Трябва да се помни, че говорим за йони - заредени частици, чийто транспорт също се определя от заряда. Възможни са ситуации, когато движението по концентрационния градиент може да бъде насочено в една посока и съществуващите заряди противодействат на този трансфер.

Йонните канали имат две важни свойства: 1) селективност (селективност) към определени йони и 2) възможност за отваряне (активиране) и затваряне. Когато се активира, каналът се отваря и позволява преминаването на йони (фиг. 8). По този начин комплексът от интегрални протеини, които образуват канала, трябва задължително да включва два елемента: структури, които разпознават „своя“ йон и са в състояние да го пропуснат, и структури, които ви позволяват да знаете кога да пропуснете този йон. Селективността на канала се определя от протеините, които го образуват; „собственият“ йон се разпознава по неговия размер и заряд.

Активиране на каналавъзможно по няколко начина. Първо, каналите могат да се отварят и затварят, когато мембранният потенциал се променя. Промяната в заряда води до промяна в конформацията на протеиновите молекули и каналът става пропусклив за йона. За да се променят свойствата на канала, е достатъчна лека флуктуация в мембранния потенциал. Такива канали се наричат зависими от напрежението(или с електрически контрол). Второ, каналите може да са част от сложен протеинов комплекс, наречен мембранен рецептор. В този случай промяната в свойствата на канала се причинява от конформационно пренареждане на протеини, което възниква в резултат на взаимодействието на рецептора с биологично активно вещество (хормон, медиатор). Такива канали се наричат химиозависим(или свързан с рецептор ) . Освен това каналите могат да се отварят при механично въздействие – натиск, разтягане (фиг. 9). Механизмът, който осигурява активиране, се нарича стробиране на канала. Въз основа на скоростта, с която каналите се отварят и затварят, те могат да бъдат разделени на бързи и бавни.

Повечето канали (калиеви, калциеви, хлоридни) могат да бъдат в две състояния: отворени и затворени. Има някои особености в работата на натриевите канали. Тези канали, като калиеви, калциеви и хлоридни, са склонни да бъдат или в отворено, или в затворено състояние, но натриевият канал също може да бъде инактивиран, това е състояние, в което каналът е затворен и не може да бъде отворен от никакво влияние ( Фиг. 10).

Фигура 8. Състояния на йонния канал

Фигура 9. Пример за канал, затворен от рецептор. ACh – ацетилхолин. Взаимодействието на ACh молекулата с мембранния рецептор променя конформацията на белтъка на вратата по такъв начин, че каналът започва да позволява на йони да преминават през него.

Фигура 10 Пример за потенциално зависим канал

Зависимият от напрежение натриев канал има активиращи и инактивиращи порти (порти). Портите за активиране и инактивиране променят конформацията при различни мембранни потенциали.

Когато разглеждаме механизмите на възбуждане, ще се интересуваме главно от работата на натриевите и калиевите канали, но нека се спрем накратко на характеристиките на калциевите канали, ще ни трябват в бъдеще. Натриевите и калциевите канали се различават по своите свойства. Натриевите канали са бързи и бавни, докато калциевите са само бавни. Активирането на натриевите канали води само до деполяризация и появата на LO или AP; активирането на калциевите канали може допълнително да причини метаболитни промени в клетката. Тези промени се дължат на факта, че калцият се свързва със специални протеини, които са чувствителни към този йон. Свързаният с калций протеин променя свойствата си по такъв начин, че става способен да променя свойствата на други протеини, например да активира ензими, да задейства мускулна контракция и да освобождава медиатори.

Според съвременните концепции биологичните мембрани образуват външната обвивка на всички животински клетки и образуват множество вътреклетъчни органели. Най-характерната структурна особеност е, че мембраните винаги образуват затворени пространства и тази микроструктурна организация на мембраните им позволява да изпълняват основни функции.

Устройство и функции на клетъчните мембрани.

1. Бариерната функция се изразява в това, че мембраната, използвайки подходящи механизми, участва в създаването на концентрационни градиенти, предотвратяващи свободната дифузия. В този случай мембраната участва в механизмите на електрогенезата. Те включват механизми за създаване на потенциал на покой, генериране на потенциал на действие, механизми за разпространение на биоелектрични импулси през хомогенни и хетерогенни възбудими структури.

2. Регулаторната функция на клетъчната мембрана е фината регулация на вътреклетъчното съдържание и вътреклетъчните реакции, дължащи се на приемането на извънклетъчни биологично активни вещества, което води до промени в активността на ензимните системи на мембраната и стартиране на механизми на вторичния “ пратеници” („посредници”).

3. Преобразуване на външни стимули от неелектрически характер в електрически сигнали (в рецепторите).

4. Освобождаване на невротрансмитери в синаптичните окончания.

Съвременните методи на електронна микроскопия определят дебелината на клетъчните мембрани (6-12 nm). Химическият анализ показа, че мембраните са съставени главно от липиди и протеини, чието количество варира при различните видове клетки. Трудността при изучаване на молекулярните механизми на функциониране на клетъчните мембрани се дължи на факта, че при изолиране и пречистване на клетъчните мембрани се нарушава нормалното им функциониране. Понастоящем можем да говорим за няколко вида модели на клетъчни мембрани, сред които най-разпространен е моделът с течна мозайка.

Според този модел мембраната е представена от двоен слой от фосфолипидни молекули, ориентирани по такъв начин, че хидрофобните краища на молекулите са разположени вътре в двуслойния слой, а хидрофилните краища са насочени във водната фаза. Тази структура е идеална за образуване на разделяне между две фази: екстра- и вътреклетъчна.

Глобуларните протеини са интегрирани във фосфолипидния двоен слой, чиито полярни области образуват хидрофилна повърхност във водната фаза. Тези интегрирани протеини изпълняват различни функции, включително рецепторни, ензимни, образуват йонни канали, са мембранни помпи и преносители на йони и молекули.

Някои протеинови молекули дифундират свободно в равнината на липидния слой; в нормално състояние части от протеинови молекули, излизащи от различни страни на клетъчната мембрана, не променят позицията си.

Електрически характеристики на мембраните:

Капацитивните свойства се определят главно от фосфолипидния двоен слой, който е непроницаем за хидратирани йони и в същото време достатъчно тънък (около 5 nm), за да позволи ефективно разделяне и натрупване на заряди и електростатично взаимодействие на катиони и аниони. В допълнение, капацитивните свойства на клетъчните мембрани са една от причините, които определят времевите характеристики на електрическите процеси, протичащи върху клетъчните мембрани.

Проводимостта (g) е реципрочната стойност на електрическото съпротивление и е равна на отношението на общия трансмембранен ток за даден йон към стойността, която определя неговата трансмембранна потенциална разлика.

Различни вещества могат да дифундират през фосфолипидния двоен слой и степента на пропускливост (P), т.е. способността на клетъчната мембрана да пропуска тези вещества, зависи от разликата в концентрациите на дифузиращото вещество от двете страни на мембраната, неговата разтворимост в липидите и свойствата на клетъчната мембрана.

Проводимостта на една мембрана е мярка за нейната йонна пропускливост. Увеличаването на проводимостта показва увеличаване на броя на йони, преминаващи през мембраната.

Структура и функции на йонните канали. Na+, K+, Ca2+, Cl- йони проникват в клетката и излизат през специални канали, пълни с течност. Размерът на канала е доста малък.

Всички йонни канали са разделени на следните групи:

1. По селективност:

а) Селективно, т.е. специфичен. Тези канали са пропускливи за строго определени йони.

б) Нискоселективни, неспецифични, без специфична йонна селективност. Има малък брой от тях в мембраната.

1. Според естеството на йоните, преминали през:

а) калий

б) натрий

в) калций

г) хлор

1. Според скоростта на инактивиране, т.е. затваряне:

а) бързо инактивиращ, т.е. бързо се превръща в затворено състояние. Те осигуряват бързо нарастващо намаляване на MP и също толкова бързо възстановяване.

б) бавнодействащи. Отварянето им предизвиква бавно намаляване на MP и бавното му възстановяване.

4. Според механизмите на отваряне:

а) потенциално зависим, т.е. тези, които се отварят при определено ниво на мембранен потенциал.

б) хемозависими, отварящи се, когато хеморецепторите на клетъчната мембрана са изложени на физиологично активни вещества (невротрансмитери, хормони и др.).

Сега е установено, че йонните канали имат следната структура:

1. Селективен филтър, разположен в устието на канала. Осигурява преминаването на строго определени йони през канала.

2. Активационни порти, които се отварят при определено ниво на мембранния потенциал или действието на съответната PAS. Вратите за активиране на потенциално зависимите канали имат сензор, който ги отваря при определено MP ниво.

3. Инактивираща врата, осигуряваща затварянето на канала и спирането на йонния поток през канала при определено ниво на MP (Фигура).

Неспецифичните йонни канали нямат порта.

Селективните йонни канали могат да съществуват в три състояния, които се определят от позицията на вратите за активиране (m) и инактивиране (h):

1.Затворен, когато активиращите са затворени, а деактивиращите отворени.

2. Активирано, двете врати са отворени.

3. Дезактивиран, вратата за активиране е отворена и вратата за деактивиране е затворена

Функции на йонните канали:

1. Калий (в покой) – генериране на потенциал в покой

2. Натрий – генериране на потенциал за действие

3. Калций - генериране на бавно действие

4. Калий (забавена ректификация) – осигурява реполяризация

5. Калиево-калциев активиран – ограничаваща деполяризацията, причинена от Ca+2 ток

Функцията на йонните канали се изучава по различни начини. Най-често срещаният метод е клема за напрежение или „клема за напрежение“. Същността на метода е, че с помощта на специални електронни системи мембранният потенциал се променя и фиксира на определено ниво по време на експеримента. В този случай се измерва големината на йонния ток, протичащ през мембраната. Ако потенциалната разлика е постоянна, тогава, в съответствие със закона на Ом, големината на тока е пропорционална на проводимостта на йонните канали. В отговор на стъпаловидна деполяризация се отварят определени канали и съответните йони навлизат в клетката по електрохимичен градиент, т.е. възниква йонен ток, който деполяризира клетката. Тази промяна се открива от контролен усилвател и през мембраната се пропуска електрически ток, равен по големина, но противоположен по посока на мембранния йонен ток. В този случай трансмембранната потенциална разлика не се променя.

Изследването на функцията на отделните канали е възможно с помощта на метода за локална фиксация на потенциала "path-clamp". Стъклен микроелектрод (микропипета) се напълва с физиологичен разтвор, притиска се към повърхността на мембраната и се създава лек вакуум. В този случай част от мембраната се засмуква към микроелектрода. Ако в зоната на засмукване се появи йонен канал, тогава се записва активността на единичен канал. Системата за дразнене и запис на активността на канала се различава малко от системата за запис на напрежение.

Токът през един йонен канал има правоъгълна форма и е еднакъв по амплитуда за канали от различни типове. Продължителността на престоя на канала в отворено състояние е вероятностна, но зависи от стойността на мембранния потенциал. Общият йонен ток се определя от вероятността определен брой канали да бъдат в отворено състояние за всеки определен период от време.

Външната част на канала е относително достъпна за изследване, изучаването на вътрешната част представлява значителни трудности. П. Г. Костюк разработи метод за вътреклетъчна диализа, който позволява да се изследва функцията на входните и изходните структури на йонните канали без използването на микроелектроди. Оказа се, че частта от йонния канал, отворена към извънклетъчното пространство, се различава по своите функционални свойства от частта на канала, обърната към вътреклетъчната среда.

Именно йонните канали осигуряват две важни свойства на мембраната: селективност и проводимост.

Селективността или селективността на канала се осигурява от неговата специална протеинова структура. Повечето канали са електрически контролирани, т.е. тяхната способност да провеждат йони зависи от големината на мембранния потенциал. Каналът е разнороден по своите функционални характеристики, особено по отношение на протеиновите структури, разположени на входа на канала и на изхода му (т.нар. механизми на вратата).

Нека разгледаме принципа на работа на йонните канали, като използваме натриевия канал като пример. Смята се, че натриевият канал е затворен в покой. Когато клетъчната мембрана се деполяризира до определено ниво, вратата за m-активиране се отваря (активиране) и потокът от Na+ йони в клетката се увеличава. Няколко милисекунди след като m-gate се отвори, h-gate, разположен на изхода на натриевите канали, се затваря (инактивиране). Инактивирането се развива много бързо в клетъчната мембрана и степента на инактивиране зависи от величината и времето на действие на деполяризиращия стимул.

Когато единичен потенциал на действие се генерира в дебело нервно влакно, промяната в концентрацията на Na+ йони във вътрешната среда е само 1/100 000 от вътрешното съдържание на Na+ йони в гигантския аксон на калмара.

В допълнение към натриевите, други видове канали са инсталирани в клетъчните мембрани, които са селективно пропускливи за отделни йони: K+, Ca2+ и има разновидности на канали за тези йони.

Ходжкин и Хъксли формулират принципа на "независимостта" на каналите, според който потокът на натрий и калий през мембраната е независим един от друг.

Свойствата на проводимост на различните канали не са еднакви. По-специално, за калиевите канали процесът на инактивиране не съществува, както за натриевите канали. Има специални калиеви канали, които се активират, когато концентрацията на вътреклетъчния калций се увеличи и клетъчната мембрана се деполяризира. Активирането на калиево-калциево-зависимите канали ускорява реполяризацията, като по този начин възстановява първоначалната стойност на потенциала на покой.

Калциевите канали са от особен интерес. Входящият калциев ток обикновено не е достатъчно голям, за да деполяризира нормално клетъчната мембрана. Най-често калцият, влизащ в клетката, действа като „пратеник“ или вторичен пратеник. Активирането на калциевите канали се постига чрез деполяризация на клетъчната мембрана, например чрез входящ натриев ток.

Процесът на инактивиране на калциевите канали е доста сложен. От една страна, повишаването на вътреклетъчната концентрация на свободен калций води до инактивиране на калциевите канали. От друга страна, протеините в цитоплазмата на клетките свързват калций, което прави възможно поддържането на стабилен калциев ток за дълго време, макар и на ниско ниво; в този случай натриевият ток е напълно потиснат. Калциевите канали играят съществена роля в сърдечните клетки. Електрогенезата на кардиомиоцитите е разгледана в глава 7. Електрофизиологичните характеристики на клетъчните мембрани се изследват със специални методи.

Всички канали, присъстващи в живите тъкани, а сега знаем няколкостотин вида канали, могат да бъдат разделени на два основни типа. Първият тип е канали за почивка,които спонтанно се отварят и затварят без никакви външни влияния. Те са важни за генерирането на потенциала на мембраната в покой. Вторият тип е т.нар портални канали,или портални канали(от думата "порта") . В покой тези канали са затворени и могат да се отворят под въздействието на определени стимули. Някои видове такива канали участват в генерирането на потенциал за действие.

Характеризират се повечето йонни канали селективност(селективност), тоест само определени йони преминават през определен тип канал. Въз основа на тази характеристика се разграничават натриеви, калиеви, калциеви и хлоридни канали. Селективността на каналите се определя от размера на порите, размера на йона и неговата хидратна обвивка, заряда на йона, както и заряда на вътрешната повърхност на канала. Има обаче и неселективни канали, които могат да пропускат два вида йони едновременно: например калиеви и натриеви. Има канали, през които могат да преминат всички йони и дори по-големи молекули.

Съществува класификация на йонните канали според метод на активиране(фиг. 9). Някои канали специфично реагират на физически промени в клетъчната мембрана на неврона. Най-видните представители на тази група са активирани от напрежение канали. Примерите включват чувствителни към напрежение натриеви, калиеви и калциеви йонни канали върху мембраната, които са отговорни за формирането на потенциала за действие. Тези канали се отварят при определен мембранен потенциал. Така натриевите и калиевите канали се отварят при потенциал от около -60 mV (вътрешната повърхност на мембраната е отрицателно заредена в сравнение с външната повърхност). Калциевите канали се отварят при потенциал -30 mV. Групата канали, активирани от физически промени включва

Фигура 9. Методи за активиране на йонни канали

(A) Йонни канали, активирани от промени в мембранния потенциал или разтягане на мембраната. (B) Йонни канали, активирани от химически агенти (лиганди) от извънклетъчната или вътреклетъчната страна.

Също механочувствителни каналикоито реагират на механичен стрес (разтягане или деформация на клетъчната мембрана). Друга група йонни канали се отварят, когато химикали активират специални рецепторни свързващи места в молекулата на канала. Такива лиганд-активирани каналисе разделят на две подгрупи, в зависимост от това дали техните рецепторни центрове са вътреклетъчни или извънклетъчни. Лиганд-активираните канали, които реагират на извънклетъчни стимули, също се наричат йонотропни рецептори.Такива канали са чувствителни към предавателите и участват пряко в предаването на информация в синаптичните структури. Лиганд-активираните канали, активирани от цитоплазмената страна, включват канали, които са чувствителни към промени в концентрацията на специфични йони. Например калциево-активираните калиеви канали се активират чрез локално повишаване на вътреклетъчната концентрация на калций. Такива канали играят важна роля в реполяризирането на клетъчната мембрана по време на прекратяването на потенциал за действие. В допълнение към калциевите йони типични представители на вътреклетъчните лиганди са цикличните нуклеотиди. Цикличният GMP, например, е отговорен за активирането на натриевите канали в пръчиците на ретината. Този тип канали играят основна роля в работата на зрителния анализатор. Отделен вид модулиране на работата на канала чрез свързване на вътреклетъчен лиганд е фосфорилирането / дефосфорилирането на определени участъци от неговата протеинова молекула под действието на вътреклетъчни ензими - протеин кинази и протеин фосфатази.

Представената класификация на каналите по метод на активиране е до голяма степен произволна. Някои йонни канали могат да се активират само от няколко стимула. Например, активираните с калций калиеви канали също са чувствителни към промени в потенциала, а някои активирани с напрежение йонни канали са чувствителни към вътреклетъчни лиганди.

Моделът на възбудимата мембрана според теорията на Ходжкин-Хъксли предполага контролиран транспорт на йони през мембраната. Въпреки това, директният преход на йон през липидния двоен слой е много труден и следователно йонният поток би бил малък.

Това и редица други съображения дадоха основание да се смята, че мембраната трябва да съдържа някои специални структури - проводящи йони. Такива структури бяха открити и наречени йонни канали. Подобни канали са изолирани от различни обекти: плазмената мембрана на клетките, постсинаптичната мембрана на мускулните клетки и други обекти. Известни са и йонни канали, образувани от антибиотици.

Основни свойства на йонните канали:

1) селективност;

2) независимост на работа на отделните канали;

3) дискретен характер на проводимостта;

4) зависимост на параметрите на канала от мембранния потенциал.

Нека ги разгледаме по ред.

1. Селективността е способността на йонните канали избирателно да пропускат йони от един тип.

Дори в първите експерименти върху аксона на калмарите беше открито, че Na+ и Kt йони имат различен ефект върху мембранния потенциал. K+ йоните променят потенциала на покой, а Na+ йоните променят потенциала на действие. Моделът на Ходжкин-Хъксли описва това чрез въвеждане на независими калиеви и натриеви йонни канали. Предполага се, че първите пропускат само K+ йони, а вторите пропускат само Na+ йони.

Измерванията показват, че йонните канали имат абсолютна селективност към катиони (катион-селективни канали) или аниони (анион-селективни канали). В същото време различни катиони на различни химични елементи могат да преминават през катион-селективни канали, но проводимостта на мембраната за второстепенния йон и следователно токът през нея ще бъде значително по-нисък, например за Na + канала , токът на калий през него ще бъде 20 пъти по-малък. Способността на един йонен канал да пропуска различни йони се нарича относителна селективност и се характеризира със серия на селективност - съотношението на проводимостта на канала за различни йони, взети при една и съща концентрация. В този случай за главния йон селективността се приема за 1. Например за Na+ канала тази серия има формата:

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

2. Независимост на работата на отделните канали. Потокът на ток през отделен йонен канал не зависи от това дали токът протича през други канали. Например K + каналите могат да се включват или изключват, но токът през Na + каналите не се променя. Влиянието на каналите един върху друг се осъществява косвено: промяната в пропускливостта на някои канали (например натрий) променя мембранния потенциал и това вече засяга проводимостта на други йонни канали.

3. Дискретна природа на проводимостта на йонните канали. Йонните канали са субединица комплекс от протеини, които обхващат мембраната. В центъра му има тръба, през която могат да преминават йони. Броят на йонните канали на 1 μm 2 повърхност на мембраната се определя с помощта на радиоактивно белязан блокер на натриевите канали - тетродотоксин. Известно е, че една TTX молекула се свързва само с един канал. След това измерването на радиоактивността на проба с известна площ направи възможно да се покаже, че има около 500 натриеви канала на 1 µm2 аксон на калмари.

Тези трансмембранни токове, които се измерват в конвенционални експерименти, например върху аксон на калмари с дължина 1 cm и диаметър 1 mm, тоест площ от 3 * 10 7 μm 2, се дължат на общия отговор (промяна в проводимост) на 500 3 10 7 -10 10 йонни канали. Тази реакция се характеризира с плавна промяна на проводимостта във времето. Отговорът на единичен йонен канал се променя с течение на времето по фундаментално различен начин: дискретно за Na+ канали, и за K+-, и за Ca 2+ канали.

Това беше открито за първи път през 1962 г. при изследвания на проводимостта на липидните двуслойни мембрани (BLMs), когато микроколичества от определено вещество, предизвикващо възбуждане, бяха добавени към разтвора около мембраната. Постоянно напрежение беше приложено към BLM и токът I (t) беше записан. Токът се записва във времето под формата на скокове между две проводящи състояния.

Един от ефективните методи за експериментално изследване на йонни канали е методът за локално фиксиране на мембранния потенциал (“Patch Clamp”), разработен през 80-те години (фиг. 10).

Ориз. 10. Метод за локално фиксиране на мембранния потенциал. ME - микроелектрод, IR - йонен канал, M - клетъчна мембрана, SFP - потенциална клема, I - едноканален ток

Същността на метода е, че микроелектродът ME (фиг. 10) с тънък край с диаметър 0,5-1 μm се засмуква към мембраната, така че йонният канал да навлезе във вътрешния й диаметър. След това, като се използва верига с потенциална скоба, е възможно да се измерват токове, които преминават само през един канал на мембраната, а не през всички канали едновременно, както се случва при използване на стандартния метод на потенциална клема.

Резултатите от експериментите, проведени върху различни йонни канали, показват, че проводимостта на йонния канал е дискретна и може да бъде в две състояния: отворено или затворено. Преходите между състоянията се случват в произволни моменти и се подчиняват на статистически закони. Не може да се каже, че даден йонен канал ще се отвори точно в този момент. Можете да направите изявление само относно вероятността за отваряне на канал в определен интервал от време.

4. Зависимост на параметрите на канала от мембранния потенциал. Йонните канали на нервните влакна са чувствителни към мембранния потенциал, като натриевите и калиеви канали на аксона на калмара. Това се проявява във факта, че след началото на мембранната деполяризация, съответните токове започват да се променят с една или друга кинетика. Този процес протича по следния начин: Йон-селективният канал има сензор - някакъв елемент от неговия дизайн, който е чувствителен към действието на електрическото поле (фиг. 11). Когато потенциалът на мембраната се промени, величината на силата, действаща върху нея, се променя, в резултат на това тази част от йонния канал се движи и променя вероятността за отваряне или затваряне на портата - вид амортисьор, който работи според „всички или нищо” закон. Експериментално е доказано, че под въздействието на деполяризацията на мембраната се увеличава вероятността натриевият канал да премине в проводящо състояние. Напрежението през мембраната, създадено по време на измерване на потенциални скоби, причинява отваряне на голям брой канали. През тях преминават повече заряди, което означава средно повече ток. Важно е процесът на увеличаване на проводимостта на канала да се определя от увеличаване на вероятността каналът да премине в отворено състояние, а не от увеличаване на диаметъра на отворения канал. Това е съвременното разбиране за механизма на преминаване на тока през един канал.

Гладките кинетични криви на токовете, записани по време на електрически измервания върху големи мембрани, се получават поради сумирането на много стъпаловидни токове, протичащи през отделни канали. Тяхното сумиране, както е показано по-горе, рязко намалява флуктуациите и дава сравнително гладки времеви зависимости на трансмембранния ток.

Йонните канали могат да бъдат чувствителни и към други физически влияния: механична деформация, свързване на химикали и др. В този случай те са структурната основа, съответно на механорецептори, хеморецептори и др.

Изследването на йонните канали в мембраните е една от важните задачи на съвременната биофизика.

Структура на йонния канал.

Йоноселективният канал се състои от следните части (фиг. 11): потопена в бислоя на белтъчната част, която има структура на субединица; селективен филтър, образуван от отрицателно заредени кислородни атоми, които са неподвижно разположени на определено разстояние един от друг и позволяват преминаването на йони с определен диаметър; порта част.

Портата на йонния канал се контролира от мембранния потенциал и може да бъде или в затворено състояние (пунктирана линия), или в отворено състояние (плътна линия). Нормалната позиция на вратата на натриевия канал е затворена. Под въздействието на електрическо поле вероятността от отворено състояние се увеличава, портата се отваря и потокът от хидратирани йони може да премине през селективния филтър.

Ако йонът отговаря на диаметъра, той изхвърля хидратиращата си обвивка и скача от другата страна на йонния канал. Ако йонът е с твърде голям диаметър, като тетраетиламоний, той не може да премине през филтъра и не може да премине през мембраната. Ако, напротив, йонът е твърде малък, тогава той има затруднения в селективния филтър, този път свързани с трудността да се отдели хидратната обвивка на йона.

Блокерите на йонните канали или не могат да преминат през него, забивайки се във филтъра, или, ако са големи молекули като TTX, те пространствено съответстват на някакъв вход към канала. Тъй като блокерите носят положителен заряд, тяхната заредена част се изтегля в канала към селективния филтър като обикновен катион и макромолекулата го запушва.

По този начин промените в електрическите свойства на възбудимите биомембрани се извършват с помощта на йонни канали. Това са протеинови макромолекули, които проникват през липидния двоен слой и могат да съществуват в няколко дискретни състояния. Свойствата на каналите, селективни за K +, Na + и Ca 2+ йони, могат да зависят по различен начин от мембранния потенциал, който определя динамиката на потенциала на действие в мембраната, както и разликите в тези потенциали в мембраните на различни клетки .

Ориз. 11. Диаграма на напречното сечение на структурата на натриевия йонен канал на мембраната

Обратна връзка.

За различни вещества и по-специално за минералните йони, той е изключително важен в живота на клетката и особено в механизмите на възприемане, трансформация, предаване на сигнали от клетка на клетка и към вътреклетъчни структури.

Определящата роля в състоянието на пропускливостта на клетъчната мембрана играят техните йонни канали, които се образуват каналообразуващи протеини. Отварянето и затварянето на тези канали може да се контролира от големината на потенциалната разлика между външната и вътрешната повърхност на мембраната, разнообразие от сигнални молекули (хормони, невротрансмитери, вазоактивни вещества), вторични носители на вътреклетъчно предаване на сигнали и минерални йони.

Йонен канал- няколко субединици (интегрални мембранни протеини, съдържащи трансмембранни сегменти, всеки от които има α-спирална конфигурация), които осигуряват транспортирането на йони през мембраната.

Ориз. 1. Класификация на йонните канали

Съвременното разбиране на структурата и функцията на йонните канали стана възможно благодарение на разработването на методи за записване на електрически токове, протичащи през изолиран участък от мембраната, съдържащ единични йонни канали, както и чрез изолирането и клонирането на отделни гени, които контролират синтез на протеинови макромолекули, способни да образуват йонни канали. Това направи възможно изкуственото модифициране на структурата на такива молекули, интегрирането им в клетъчните мембрани и изследването на ролята на отделните пептидни региони при изпълнението на каналните функции. Оказа се, че каналообразуващите протеинови молекули на всички йонни канали имат някои общи структурни характеристики и обикновено са представени от големи трансмембранни протеини с молекулна маса над 250 kDa.

Те се състоят от няколко субединици. Обикновено най-важното свойства на каналатехен а-подединица. Тази субединица участва в образуването на йон-селективната дупка, сензорния механизъм на трансмембранната потенциална разлика - портата на канала и има места за свързване на екзогенни и ендогенни лиганди. Други субединици, включени в структурата на йонните канали, играят спомагателна роля, модулирайки свойствата на каналите (фиг. 2).

Каналообразуващата протеинова молекула е представена от екстрамембранни аминокиселинни бримки и интрамембранни спирални доменни области, които образуват субединиците на йонните канали. Протеиновата молекула се сгъва в равнината на мембраната, така че самият йонен канал се образува между домейните в контакт един с друг (виж Фиг. 2, долу вдясно).

Протеиновата молекула, образуваща канал, е разположена в цитоплазмената мембрана, така че нейната триизмерна пространствена структура образува устията на канала, обърнати към външната и вътрешната страна на мембраната, пора, пълна с вода, и „порта“. Последните се образуват от част от пептидната верига, която може лесно да промени своята конформация и да определи отвореното или затвореното състояние на канала. Селективността и пропускливостта на йонния канал зависят от размера на порите и нейния заряд. Пропускливостта на канал за даден йон също се определя от неговия размер, заряд и хидратна обвивка.

Ориз. 2. Структура на Na+ -йонния канал на клетъчната мембрана: а - двумерна структура на α-звената на йонния канал на клетъчната мембрана; b - отляво - натриев канал, състоящ се от a-субединица и две P-субединици (страничен изглед); вдясно е натриевият канал отгоре. В числа I. II. III. IV маркирани домени на а-субединица

Видове йонни канали

Описани са повече от 100 вида йонни канали и се използват различни подходи за тяхното класифициране. Един от тях се основава на отчитане на различията в структурата на каналите и механизмите на функциониране. В този случай йонните канали могат да бъдат разделени на няколко вида:

• пасивни йонни канали или канали за покой;
• слот контактни канали;
• канали, чието състояние (отворено или затворено) се контролира от влиянието върху техния механизъм на вратата на механични фактори (механочувствителни канали), потенциални разлики на мембраната (зависими от напрежението канали) или лиганди, които се свързват с каналообразуващия протеин на външната или вътрешната страна на мембраната (лиганд-зависими канали).

Пасивни канали

Отличителна черта на тези канали е, че те могат да бъдат отворени (активни) в клетките в покой, т.е. при липса на каквото и да е влияние. Това предопределя второто им наименование – пасивни канали. Те не са строго селективни и през тях клетъчната мембрана може да "пропусне" няколко йона, например K+ и CI+ K+ и Na+. Следователно тези канали понякога се наричат ​​канали за течове. Поради тези свойства, каналите за покой играят важна роля в появата и поддържането на мембранния потенциал на покой върху цитоплазмената мембрана на клетката, чиито механизми и значение са обсъдени по-долу. Пасивните канали присъстват в цитоплазмените мембрани на нервните влакна и техните окончания, набраздените клетки, гладките мускули, миокарда и други тъкани.

Механочувствителни канали

Състоянието на пропускливост на тези канали се променя при механични въздействия върху мембраната, което води до нарушаване на структурната опаковка на молекулите в мембраната и нейното разтягане. Тези канали са широко представени в механорецепторите на кръвоносните съдове, вътрешните органи, кожата, набраздените мускули и гладките миоцити.

Канали, зависими от напрежението

Състоянието на тези канали се контролира от силите на електрическото поле, създадено от големината на потенциалната разлика през мембраната. Зависимите от напрежение канали могат да бъдат в неактивни (затворени), активни (отворени) и неактивирани състояния, които се контролират от позицията на активиращите и инактивиращите порти, в зависимост от потенциалната разлика през мембраната.

В клетката в покой волтаж-зависимият канал обикновено е в затворено състояние, от което може да бъде отворен или активиран. Вероятността за неговото независимо отваряне е ниска и в покой само малък брой от тези канали в мембраната са отворени. Намаляването на трансмембранната потенциална разлика (деполяризация на мембраната) предизвиква активиране на канала, което увеличава вероятността от отварянето му. Предполага се, че функцията на активиращата врата се изпълнява от електрически заредена аминокиселинна група, която затваря входа на устието на канала. Тези аминокиселини са сензор за потенциалната разлика на мембраната; когато се достигне определено (критично) ниво на деполяризация на мембраната, заредената част от сензорната молекула се измества към липидната микросреда на каналообразуващата молекула и портата отваря входа на устието на канала (фиг. 3).

Каналът става отворен (активен) за преминаване на йони през него. Скоростта на отваряне на вратата за активиране може да бъде ниска или много висока. Според този показател волтаж-зависимите йонни канали се разделят на бързи (например бързи волтаж-зависими натриеви канали) и бавни (например бавни волтаж-зависими калциеви канали). Бързите канали се отварят моментално (μs) и остават отворени средно 1 ms. Тяхното активиране е съпроводено с бързо лавинообразно повишаване на пропускливостта на канала за определени йони.

Друга част от пептидната верига, която представлява аминокиселинна последователност под формата на плътна топка (топка) върху нишка, разположена на изхода на другото устие на канала, има способността да променя своята конформация. Когато знакът на заряда на мембраната се промени, топката затваря изхода от устата и каналът става непроницаем (инактивиран) за йона. Инактивирането на волтаж-зависимите йонни канали може да се осъществи чрез други механизми. Инактивирането е придружено от спиране на движението на йони през канала и може да се случи толкова бързо, колкото и активирането, или бавно - за период от секунди или дори минути.

Ориз. 3. Входен механизъм на волтаж-зависими натриеви (отгоре) и калиеви (отдолу) канали

За да се възстановят оригиналните свойства на йонните канали след тяхното инактивиране, е необходимо да се върне оригиналната пространствена конформация на каналообразуващия протеин и позицията на портата. Това се постига чрез възстановяване на мембранната потенциална разлика (реполяризация) до ниво, характерно за състоянието на покой на клетката или известно време след инактивиране със силен ефект върху мембраната. Преходът от състояние на инактивиране към първоначалното (затворено) състояние се нарича повторно активиране на канала. Веднъж реактивиран, йонният канал се връща в състояние на готовност за повторното му отваряне. Реактивирането на волтаж-зависими мембранни канали също може да бъде бързо или бавно.

Зависимите от напрежение йонни канали обикновено са силно селективни и играят решаваща роля при появата на възбуждане (генериране на потенциал за действие), предаването на информация по нервните влакна под формата на електрически сигнали и инициирането и регулирането на мускулната контракция. Тези канали са широко представени в мембраните на аферентните и еферентните нервни влакна, в мембраните на набраздените и гладките миоцити.

Потенциал-зависимите йонни канали са вградени в мембраната на нервните окончания на сетивните нерви (дендрити), инервиращи зъбната пулпа и устната лигавица, където отварянето им осигурява превръщането на рецепторния потенциал в нервен импулс и последващото му предаване по аферентния нерв фибри. С помощта на тези импулси информацията за всички видове сетивни усещания, които човек изпитва в устната кухина (вкус, температура, механичен натиск, болка), се предава на централната нервна система. Такива канали осигуряват появата на нервни импулси върху мембраната на аксоновия хълм на невроните и тяхното предаване по еферентните нервни влакна, превръщането на постсинаптичните потенциали в потенциали на действие на постсинаптичните ефекторни клетки. Пример за такива процеси е генерирането на нервни импулси в моторните неврони на ядрото на тригеминалния нерв, които след това се предават по неговите еферентни влакна към дъвкателните мускули и осигуряват инициирането и регулирането на дъвкателните движения на долната челюст.

При изучаване на фините механизми на функционирането на волтаж-зависимите йонни канали беше разкрито, че има вещества, които могат да блокират работата на тези канали. Едно от първите описани е веществото тетродотоксин, мощна отрова, произвеждана в тялото на рибата бугунка. Под негово въздействие в експеримента се наблюдава блокада на волтаж-зависимите натриеви канали, а при въвеждането му в тялото на животните се отбелязва загуба на чувствителност, мускулна релаксация, неподвижност, спиране на дишането и смърт. Такива вещества се наричат ​​блокери на йонни канали. Между тях лидокаин, новокаин, прокаин -вещества, когато се въвеждат в тялото в малки дози, се развива блокада на зависими от напрежението натриеви канали на нервните влакна и се блокира предаването на сигнали от рецепторите за болка към централната нервна система. Тези вещества се използват широко в медицинската практика като локални анестетици.

Движението на йони през йонни канали е не само основа за преразпределението на зарядите върху мембраните и образуването на електрически потенциали, но също така може да повлияе на хода на много вътреклетъчни процеси. Този ефект върху експресията на гени, които контролират синтеза на каналообразуващи протеини, не се ограничава само до клетките на възбудимите тъкани, но се среща във всички клетки на тялото. Установена е голяма група заболявания, причината за които е нарушение на структурата и функцията на йонните канали. Такива заболявания се класифицират като "каналопатии". Очевидно познаването на структурата и функциите на йонните канали е необходимо, за да се разбере същността на „каналопатиите“ и да се търси тяхната специфична терапия.

Лиганд-зависими йонни канали

Те обикновено се образуват от протеинови макромолекули, които могат едновременно да служат като йонни канали и рецепторни функции за определени лиганди. Тъй като една и съща макромолекула може едновременно да изпълнява тези две функции, са им приписани различни имена - например синаптичен рецептор или лиганд-зависим канал.

За разлика от волтаж-зависимия йонен канал, който се отваря, когато конформацията на активиращата врата се промени при условия на намаляване на трансмембранната потенциална разлика, лиганд-зависимите йонни канали се отварят (активират) при взаимодействие на пептидната (рецепторна) верига на протеина молекула с лиганд, вещество, към което рецепторът има висок афинитет (фиг. 4).

Ориз. 4. Лиганд-зависим йонен канал (никотин-чувствителен ацетилхолинов рецептор - n-ChR): a неактивен; 6 - активиран

Лиганд-зависимите йонни канали обикновено са локализирани в постсинаптичните мембрани на нервните клетки и техните процеси, както и в мускулните влакна. Типични примери за лиганд-зависими йонни канали са постсинаптичните мембранни канали, активирани от ацетилхолин (виж Фиг. 4), глутамат, аспартат, гама-аминомаслена киселина, глицин и други синаптични невротрансмитери. Обикновено името на канала (рецептор) отразява вида невротрансмитер, който е негов лиганд при естествени условия. Така че, ако това са канали на нервно-мускулния синапс, в който се използва невротрансмитерът ацетилхолин, тогава се използва терминът „ацетилхолинов рецептор“, а ако е чувствителен и към никотин, тогава се нарича никотиночувствителен или просто n-ацетилхолин рецептор (n-холинергичен рецептор).

Обикновено постсинаптичните рецептори (канали) се свързват селективно само с един тип невротрансмитер. В зависимост от вида и свойствата на взаимодействащия рецептор и невротрансмитер, каналите селективно променят пропускливостта си за минерални йони, но не са строго селективни канали. Например, лиганд-зависимите канали могат да променят пропускливостта към Na+ и K+ катиони или към K+ и CI+ аниони. Тази селективност на свързване на лиганда и промени в йонната пропускливост е генетично фиксирана в пространствената структура на макромолекулата.

Ако взаимодействието на медиатора и рецепторната част на макромолекулата, която образува йонния канал, е пряко придружено от промяна в пропускливостта на канала, то в рамките на няколко милисекунди това води до промяна в пропускливостта на постсинаптичната мембрана за минерали йони и стойността на постсинаптичния потенциал. Такива канали се наричат ​​бързи и са локализирани, например, в постсинаптичната мембрана на аксо-дендритни възбудителни синапси и аксосоматични инхибиторни синапси.

Има бавни лиганд-зависими йонни канали. За разлика от бързите канали, тяхното отваряне се медиира не от директното взаимодействие на невротрансмитера с рецепторната макромолекула, а от верига от събития, включваща активиране на G протеина, неговото взаимодействие с GTP, повишаване на нивото на вторичните посланици във вътреклетъчното предаване на невротрансмитерния сигнал, които чрез фосфорилиране на йонния канал водят до промяна в неговата пропускливост за минерални йони и съответно изменение в стойността на постсинаптичния потенциал. Цялата описана верига от събития се извършва в рамките на стотици милисекунди. Ще се сблъскаме с такива бавни лиганд-зависими йонни канали, когато изучаваме механизмите на регулиране на сърцето и гладките мускули.

Специален тип са каналите, локализирани в мембраните на ендоплазмения ретикулум на гладкомускулните клетки. Техният лиганд е вторият носител на вътреклетъчната сигнална трансдукция, инозитол трифосфат-IFZ.

Описани са йонни канали, които се характеризират с определени структурни и функционални свойства, присъщи както на волтаж-зависимите, така и на лиганд-зависимите йонни канали. Те са нечувствителни към напрежение йонни канали, състоянието на механизма на вратата на които се контролира от циклични нуклеотиди (cAMP и cGMP). В този случай цикличните нуклеотиди се свързват с вътреклетъчния СООН край на каналообразуващата протеинова молекула и активират канала.

Тези канали се характеризират с по-малка селективност на пропускливост за катиони и способността на последните да влияят взаимно на пропускливостта. По този начин Ca 2+ йони, влизащи през активирани канали от извънклетъчната среда, блокират пропускливостта на каналите за Na 2+ йони. Един пример за такива канали са йонните пръчковидни канали на ретината, чиято пропускливост за Ca 2+ и Na 2+ йони се определя от нивото на cGMP.

Лиганд-зависимите йонни канали са широко представени в мембранни структури, които осигуряват синаптично предаване на сигнали от редица сензорни рецептори в централната нервна система; предаване на сигнали в синапсите на нервната система; предаване на сигнали от нервната система към ефекторни клетки.

Вече беше отбелязано, че директното предаване на команди от нервната система към много ефекторни органи се осъществява с помощта на невротрансмитери, които активират лиганд-зависими йонни канали в постсинаптичните мембрани. Въпреки това, техните лиганди (агонисти или антагонисти) също могат да бъдат вещества от екзогенна природа, които в някои случаи се използват като лекарствени вещества.

Например, след въвеждане в тялото на веществото диплацин, което е подобно по структура на невротрансмитера апетилхолин, ще има продължително отваряне на лиганд-зависимите йонни канали в нервно-мускулните синапси, които спират предаването на нервни импулси от нервните влакна към мускулите . Настъпва релаксация на скелетните мускули на тялото, което може да се наложи по време на сложни хирургични операции. Диплацин и други вещества, които могат да променят състоянието на свързаните с лиганди йонни канали и да блокират предаването на сигнала в нервно-мускулните синапси, се наричат ​​мускулни релаксанти.

Ориз. 5. Канали за междинно свързване между две плътно контактуващи клетки

В медицинската практика се използват много други лекарствени вещества, които влияят върху състоянието на лиганд-зависимите йонни канали на клетки от различни тъкани.

Клетъчни пролуки (плътни) съединителни канали

Каналите за свързване на празнини се образуват в зоната на контакт между две съседни клетки, които са много близо една до друга. В мембраната на всяка контактна клетка шест протеинови субединици, наречени коннексини, образуват шестоъгълна структура, в центъра на която се образува пора или йонен канал - конексон (фиг. 5).

На мястото на контакт в мембраната на съседна клетка се образува огледална структура и йонният канал между тях става общ. Чрез такива йонни канали различни минерални йони, включително Ca 2+ йони, както и органични вещества с ниско молекулно тегло, могат да се движат от клетка в клетка. Каналите на празнините на клетките осигуряват трансфера на информация между клетките на миокарда, гладките мускули, ретината и нервната система.

Натриеви канали

Волтаж-зависими, волтаж-независими (лиганд-зависими, механочувствителни, пасивни и т.н.) натриеви канали са широко представени в клетките на тялото.

Волтаж-зависими натриеви канали

Те се състоят от една α-субединица, която образува канала, и две β-субединици, които модулират йонната пропускливост и кинетиката на инактивиране на натриевите канали (фиг. 6).

Ориз. 6. Двуизмерна структура на α-субединицата на волтаж-зависимия натриев канал. Описание в текста

Както се вижда от фиг. 6, а-субединицата е представена от четири домена от същия тип, състоящи се от шест спирални трансмембранни сегмента, свързани с аминокиселинни бримки. Примките, свързващи 5-ия и 6-ия сегмент, обграждат порите на канала, а 4-тият сегмент съдържа положително заредени аминокиселини, които са сензори за потенциалната разлика на мембраната и контролират позицията на механизма на вратата по време на промени в трансмембранния потенциал.

В волтаж-зависимите натриеви канали има два механизма на вратата, единият от тях - активиране (с участието на 4-ти сегмент) осигурява отварянето (активирането) на канала при деполяризация на мембраната, а вторият (с участието на вътреклетъчната верига) между 3-ти и 4-ти домен) - инактивирането му при презареждане на мембраната. Тъй като и двата механизма бързо променят позицията на каналната врата, волтаж-зависимите натриеви канали са бързи йонни канали и са критични за генерирането на потенциали за действие в възбудимите тъкани и за тяхното провеждане през мембраните на нервните и мускулните влакна.

Тези канали са локализирани в цитоплазмените мембрани на аксоновия хълм на невроните, в дендритите и аксоните, в мембраната на перисинаптичната област на нервно-мускулния синапс, в сарколемата на влакната на набраздените мускули и контрактилния миокард. Плътността на разпределение на натриевите канали в тези структури е различна. В миелинизираните нервни влакна те са концентрирани главно в областта на възлите на Ранвие, където тяхната плътност достига около 10 000 канала на квадратен микрон площ, а в немиелинизираните влакна каналите са по-равномерно разпределени с плътност от около 20 канала на квадрат микрон площ. Тези канали практически липсват в структурата на мембраните на тялото на нервната клетка, в мембраната на нервните окончания, които директно образуват сензорни рецептори, и в постсинаптичните мембрани на ефекторните клетки.

Сред волтаж-зависимите натриеви канали вече са разграничени повече от девет подтипа, които се различават по свойствата на α-субединиците, имат специфична тъканна принадлежност и се различават по различна чувствителност към действието на блокерите. Например, подтип канал, образуван от каналообразуващ протеин, чийто синтез се контролира от гена SCN4A, присъства в сарколемата на напълно диференцирани и инервирани скелетни мускули и неговите блокери са тетродотоксин, сакситоксин и с-конотоксини. В повечето случаи α-субединиците са чувствителни към действието на тетродотоксина, който в микромоларни концентрации блокира порите и по този начин входа на натриевите канали.

Известно е, че токсините на натриевите канали забавят скоростта на тяхното инактивиране. Например токсинът от морска анемона (ATX) и а-токсинът от скорпион (ScTX) причиняват забавяне на инактивирането чрез свързване с аминокиселинни остатъци на S3-S4 бримката на сегмент 4.

Вещества, наречени анестетици (новокаин, дикаин, лидокаин, совкаин, прокаин).и т.н.). Анестезията, когато блокират натриевите канали, се постига чрез елиминиране на възможността за генериране на нервни импулси в аферентните нервни влакна и по този начин блокиране на предаването на сигнали от сензорните болкови рецептори към централната нервна система.

Установено е, че промените в структурата на натриевите канали могат да доведат до развитието на редица заболявания. Например, промяна в структурата на канала, контролиран от гена SCNlb, води до развитие на генерализирани форми на епилепсия и гърчове с повишена телесна температура (фебрилни гърчове).

Много микроорганизми образуват токсини в човешкото тяло – вещества, които блокират йонните канали в засегнатите клетки, което може да бъде придружено от дисбаланс в йонния баланс и клетъчна смърт. Други микроорганизми, напротив, използват своите токсини (перфорини), за да образуват йонни канали в клетъчната мембрана. По-специално, токсинът на антраксния бацил, който причинява особено опасна инфекция при хората, атакува клетката и образува нови пори (канали) в нейната мембрана, през които други токсини проникват в клетката. Действието на тези токсини причинява смърт на атакуваните клетки и висока смъртност при това заболяване. Учените са синтезирали вещество β-циклодекстрин, което е близко по пространствена структура до формата на получения канал. Това вещество блокира каналите, образувани от токсина на микроорганизма, предотвратява навлизането на токсините в клетките и спасява от смърт опитни животни, заразени с антракс.

Независими от напрежението натриеви канали

Лиганд-зависими натриеви канали.Тяхната обща структура и свойства са обсъдени по-горе в описанието на лиганд-зависими йонни канали. Този тип натриеви канали е широко представен в тялото от натриеви канали на никотин-чувствителния холинергичен рецептор на постсинаптичната мембрана на нервно-мускулния синапс, интерневронни синапси на централната нервна система и автономната нервна система (преганглионарни и ганглийни неврони). Лиганд-зависимите натриеви канали са локализирани в постсинаптичните мембрани на други възбудителни (глутаматни и аспартатергични) синапси на централната нервна система. Те играят решаваща роля в генерирането на възбуждащ постсинаптичен потенциал в синапсите и предаването на сигнали между невроните и между невроните и ефекторните клетки.

Лиганд-зависимите натриеви канали на постсинаптичната мембрана не са строго селективни и могат да бъдат пропускливи едновременно за няколко йона: натрий и калий, натрий и калций.

Независими от напрежението натриеви канали, управлявани от вторични пратеници.Състоянието на тези натриеви канали може да се контролира от cGMP (фоторецептори), cAMP (обонятелни рецептори) и от G протеинови субединици (миокард).

Механочувствителни натриеви канали.Присъства в механорецепторите на стените на кръвоносните съдове, сърцето, кухите вътрешни органи, проприорецепторите на набраздените мускули и мембраната на гладките миоцити. С участието им в сетивните рецептори енергията на механичното действие се превръща в колебание на потенциалната разлика - рецепторния потенциал.

Пасивни натриеви въжета.Съдържа се в цитоплазмените мембрани на възбудимите клетки. Пропускливостта на тези канали за Na+ йони е малка, но през тях Na йони дифундират по концентрационен градиент от извънклетъчните пространства в клетките и до известна степен деполяризират мембраната. Натриевите канали на цитоплазмената мембрана на гладките миоцити са по-пропускливи. Те я ​​деполяризират в по-голяма степен (потенциал на покой около 50 mV), отколкото мембраната на миоцитите на набраздените мускули (потенциал на покой около 90 mV). По този начин пасивните натриеви канали участват във формирането на мембранния потенциал на покой.

Натриеви обменници.Натриево-калциевият обменник или натриево-калциевият обменник е описан по-рано и играе важна роля в отстраняването на калциевите йони от контрактилните кардиомиоцити.

Натриев протонен обменник.Това е специален вид протеин, образуващ канали, който премахва водородните протони от вътреклетъчните пространства в замяна на навлизането на натриеви йони в клетката. Отстраняването на протоните се активира, когато pH в клетката намалее.

Синтезът на протеини, които образуват натриеви обменни канали, се контролира от пет гена, обозначени като NAH1-NAH5.

Калиеви канали

Има волтаж-зависими и волтаж-нечувствителни калиеви канали. Сред последните се разграничават пасивни, лиганд-зависими и други видове калиеви канали. По правило калиевите канали се намират в мембраните на същите клетки и тъкани, които съдържат натриеви канали. Една от причините за такъв паралелизъм в подреждането на тези йонни канали е, че Na+ и K+ йоните са най-важните катиони, характерът на разпределението и движението на които определя появата и промяната на електрическите потенциали като една от най-важните форми на предаване на информационни сигнали в тялото.

Съществува цяло суперсемейство от калиеви йонни канали, които се разделят според структурните особености, локализацията и свойствата на каналите на отделни семейства, типове и подтипове. Описани са повече от три дузини калиеви канали и не е възможно да се дадат подробни характеристики. Ето защо, като примери, ще бъдат дадени описания на онези семейства и видове йонни канали, които са свързани предимно със сигналните пътища и контролните механизми на нервните и мускулните процеси.

Пасивни калиеви канали

Известно е, че в състояние на покой мембраните на възбудимите клетки са относително пропускливи за K йони и слабо пропускливи за Na+ йони. Тъй като носителите на трансмембранните електрически токове са йони, чрез измерване на електрическия ток, протичащ през клетъчната мембрана, може да се прецени състоянието на йонните канали. Оказа се, че трансмембранният електрически ток, предизвикан от дифузията на K йони по концентрационния градиент от клетката, е около два пикоампера и има пулсиращ характер, а средната продължителност на пулсацията е няколко милисекунди. От това наблюдение се стигна до заключението, че калиевите канали в покойната клетка могат спонтанно да се отварят и затварят, осигурявайки условия за дифузия на К йони през тях от клетката и образуване на потенциал за покой върху мембраната.

Волтаж-зависими калиеви канали

Съществуването на волтаж-зависими калиеви канали в клетъчните мембрани на възбудимите тъкани стана известно, след като беше установено, че тяхната кинетика на активиране се различава от тази на волтаж-зависимите натриеви канали и освен това те се блокират селективно от други блокери. Калиевите канали се активират по същия начин като натриевите, когато клетъчната мембрана е деполяризирана до критично ниво, но в същото време скоростта на излизане на K+ йони от клетката се увеличава много по-бавно от скоростта на навлизане на Na+ йони в клетката.

Селективният филтър на калиевия канал е разположен от вътрешната страна на устието на порите, за разлика от външното разположение на подобен филтър в натриевите канали (фиг. 7). Наличието на селективност на тези канали по отношение на Na+ и K+ катиони и различни специфични блокери - тетродотоксин (за натрий) и тетраетиламоний (за калий) - показва различната структура на тези канали.

Зависимите от напрежение калиеви канали са тетрамери и се състоят от четири субединици, образуващи пора в центъра.

Волтаж-зависимите калиеви канали са локализирани в мембраните както на възбудими, така и на невъзбудими клетки. Те играят важна роля в скоростта на възстановяване (реполяризация) на мембранния потенциал след неговата деполяризация и по този начин в контролирането на формата и честотата на генериране на потенциали за действие. Бавните калиеви канали се блокират от траетиламоний, 4-аминопиридин, фенциклидин и 9-аминоакридин.

Ориз. 7. Калиев канал: а - ляво - двумерна структура на а-субединицата; вдясно е диаграма на канала; b — електронна дифракционна диаграма на калиеви канали в цитоплазмената мембрана.

В допълнение към бавните калиеви канали са описани бързи волтаж-зависими калиеви канали, чиято кинетика на отваряне е подобна на тази на бързите волтаж-зависими натриеви канали. Тези калиеви канали се отварят бързо при деполяризация, след което се инактивират напълно и тяхното повторно активиране изисква не само реполяризация на мембраната, но и хиперполяризация за известно време.

В съответствие с имената на гените, кодиращи синтеза и сглобяването на каналообразуващи молекули, се разграничават шест типа KCN с подтипове KCN A, B, C, E и едно семейство KCNQ йонни канали. Каналите от последното семейство се експресират в миокарда.

Лиганд-зависими калиеви канали

Те са представени от голям брой канали, чувствителни към действието на различни лиганди.

Един тип многобройни лиганд-зависими калиеви канали е мускарин-чувствителният ацетилхолинов рецептор-свързан канал. Тези канали се активират от ацетилхолин. Каналите могат да бъдат блокирани от брадикинин и бариеви йони. Има два подвида на тези канали: инактивирани от мускарин и активирани от него. Последният е локализиран в пейсмейкърните клетки на сърцето.

Свойствата на лиганд-зависимия калиев канал се притежават от неселективни независими от напрежението катионни канали, които комбинират характеристиките на канали и чувствителни към никотин ацетилхолинови рецептори на постсинаптичната мембрана на нервно-мускулния синапс. Когато каналообразуващият протеин взаимодейства с ацетилхолина, се отваря този неселективен канал, през който Na+ йони влизат в мускулната клетка, а K йони излизат от нея. Различните скорости на движение на тези йони осигуряват появата на деполяризация на постсинаптичната мембрана, която не се развива в акционен потенциал директно върху тази мембрана.

Идентифицирани са ATP-чувствителни калиеви канали, които се инхибират и активират от действието на ATP.

Отделно семейство калиеви канали се състои от така наречените входни изправителни калиеви канали (порти) или входни изправители (навътрекоригиране; навътретокоизправител). Няма сензор за напрежение в затворния механизъм на изправителния калиев канал. Функционалното значение на тези канали се състои в тяхното влияние върху възбудимостта на пейсмейкърните клетки, мускулните клетки и невроните.

Семейството на коригиращите входящи калиеви канали, според имената на гените, които ги кодират, е разделено на повече от 15 вида. Пример за специфичното значение на коригирането на входните калиеви канали и по-специално на KCNJ канали 3, 5, 6 и 9 (друго обозначение Kir канали) може да бъде тяхната специфична роля в регулирането на сърдечната честота чрез свързването на тези канали с G протеин и мускарин-чувствителни ацетилхолинови рецептори на клетките - сърдечни пейсмейкъри.

Известни са нечувствителни към напрежение натриево-активирани калиеви канали.

Описани са специални волтаж-нечувствителни калиеви канали, чувствителни към промени в pH, които присъстват в β-клетките на панкреатичните острови и действат като глюкозен сензор в тях. Известно е също, че калиевите канали са чувствителни към промени в клетъчния обем.

Калциеви канали

Семейството на калциевите канали е широко представено в клетките на нервната и мускулната тъкан. Основните места на тяхното локализиране са мембраните на пресинаптичните терминали на саркоплазмения и ендоплазмения ретикулум на мускулите, сарколемата на кардиомиоцитите и мембраните на клетките на други тъкани.

Въз основа на методите за контрол на пропускливостта калциевите канали се разделят на волтаж-зависими, пасивни, лиганд-зависими, механочувствителни и др.

Калциевите канали се разделят според скоростта на инактивиране на Т-тип канали ( преходен- преходен), L-тип (бавен). В зависимост от тъканната принадлежност и чувствителността към токсини се разграничават канали от В-тип (мозък- мозък), N-тип (невронен- невронални), P-тип (purkinjeклетка- клетки на Пуркиние) и R-тип (устойчиви на токсини).

Волтаж-зависими калциеви канали

Те се образуват от олигомерен протеин, обикновено състоящ се от пет субединици a1, a2, β, y и δ. Самият йонен канал се формира от α-субединицата, която има висока степен на сходство в аминокиселинния състав и структура с подобна субединица на волтаж-зависими натриеви и калиеви канали (виж Фиг. 6, Фиг. 7).

Волтаж-зависимият калциев канал е селективно пропусклив за Ca 2+ йони. Селективността се осигурява от наличието на пори, които образуват селективен филтър.

Време еобразуван от сегменти на a 1 субединицата, следователно, като се има предвид сходството на неговата структура с тази на едновалентните катионни канали, може да се очаква, че калциевият канал трябва да бъде пропусклив за Na+ и K+ йони. Това свойство всъщност възниква, когато калцият се отстранява от извънклетъчната среда.

При естествени условия селективността към калций се осигурява в канала чрез наличието на две места за свързване на калций в порите на канала. Един от тях се образува от група глутаматни остатъци и при ниска концентрация на калций става силно свързан с това място на порите на канала и каналът за калций става слабо пропусклив. Тъй като концентрацията на калций се увеличава, вероятността калцият да заеме второ място на свързване се увеличава; получените електростатични сили на отблъскване между Ca 2+ йони значително намаляват времето на престой на йоните в местата на свързване. Освободеният калций дифундира през активирания канал в клетката по електрохимичен градиент.

Зависимите от напрежение калциеви канали се различават по праговите стойности на изместването на потенциалната разлика, при които се активират. Т-тип каналите се активират от малки промени на напрежението върху мембраната, L- и P-типовете се характеризират с високи прагове на изместване на напрежението, които причиняват тяхното активиране.

Зависимите от напрежение калциеви канали играят важна роля в редица жизненоважни процеси в тялото. Тяхното активиране и навлизането на калций в пресинаптичния терминал са необходими за синаптичното предаване на сигнала.

Навлизането на калций през калциевите канали в клетката на пейсмейкъра е необходимо за генериране на потенциал за действие в клетките на пейсмейкъра на сърцето и осигуряване на неговото ритмично свиване. Зависимите от напрежението калциеви канали регулират потока на калций в саркоплазмата на миокардните влакна, скелетните мускули, гладките миоцити на кръвоносните съдове и вътрешните органи, като контролират инициирането, скоростта, силата, продължителността на тяхното свиване и по този начин движението, помпената функция на сърцето, кръвното налягане, дишането и много други процеси в тялото.

Пасивни калциеви канали

Открива се в цитоплазмените мембрани на гладките миоцити. Те са пропускливи за калций в покой, а калцият, заедно с K+ и Na+ йони, участва в създаването на трансмембранната потенциална разлика или потенциала на покой на гладките миоцити. Калцият, влизащ в гладкия миоцит през тези канали, е източник на попълване на неговите резерви в ендоплазмения ретикулум и се използва като вторичен посредник при предаването на вътреклетъчни сигнали.

Калцият в покой може да се движи от клетка в клетка през каналите на празнините. Тези канали не са селективни за калция и през тях може едновременно да се осъществи междуклетъчен обмен на други йони и органични вещества с малко молекулно тегло. Калцият, навлизащ в клетките през каналите на празнините, играе важна роля в възникването на възбуждане, иницииране и синхронизиране на контракциите на миокарда, матката, сфинктерите на вътрешните органи и поддържането на съдовия тонус.

Лиганд-зависими калциеви канали

При изучаване на механизмите на задействане и регулиране на контракциите на миокарда и гладката мускулатура се оказа, че те зависят от доставката на калций в миоцита както от извънклетъчната среда, така и от неговите вътреклетъчни депа. В този случай навлизането на калций в саркоплазмата може да се контролира чрез промяна в потенциалната разлика на сарколемата и активирането на зависими от напрежението калциеви канали и (или) действието на редица сигнални молекули върху мембраната на саркоплазмения ретикулум. .

Лиганд-зависимите калциеви канали са локализирани в цитоплазмените мембрани на гладките миоцити. Лигандите на техните рецептори могат да бъдат хормони: вазопресин, окситоцин, адреналин; невротрансмитер норепинефрин; сигнални молекули: ангиотензин 2, ендотел 1 и други вещества. Свързването на лиганда с рецептора е придружено от активиране на калциевия канал и навлизане на калций в клетката от извънклетъчната среда.

В кардиомиоцитите, за да се инициира мускулна контракция, е необходимо първоначално да се активират волтаж-зависими калциеви канали от Т-тип, след това L-тип, отварянето на които осигурява навлизането на определено количество Ca 2+ йони в клетката . Калцият, влизащ в клетката, активира рианодиновия рецептор (RYR), каналообразуващ протеин, вграден в мембраната на саркоплазмения ретикулум на кардиомиоцита. В резултат на активирането на канала се повишава неговата пропускливост за калций и последният дифундира в саркоплазмата по концентрационния градиент. По този начин, Ca 2+ йони действат като вид лиганди, които активират рианодиновите рецептори и по този начин калциевите канали. В резултат на това извънклетъчният калций, влизащ в клетката, действа като спусък за освобождаване на калций от основното вътреклетъчно хранилище.

Калциевите канали могат едновременно да бъдат чувствителни към промените в потенциалните разлики през цитоплазмената мембрана и към действието на лигандите. Например L-тип волтаж-зависими калциеви канали са чувствителни към дихидропиридин (нифедипин), фенилалкиламини (верапамил) и бензотиазепини (дилтиазем). Този тип канал често се нарича дихидропиридинов рецептор. Това име предполага, че L-калциевият канал е лиганд-зависим, въпреки че в действителност е волтаж-зависим канал.

Каналите от тип P са резистентни към действието на коногоксини и лекарства, към които други видове калциеви канали са чувствителни.

Функционалните свойства на α1 субединиците на волтаж-зависимите калциеви канали могат да бъдат модулирани чрез тяхното фосфорилиране и по този начин може да се регулира състоянието на йонна пропускливост на калциевите канали, например в миокарда.

Специален тип лиганд-зависими калциеви йонни канали са канали, локализирани в мембраните на ендоплазмения ретикулум на гладкомускулни клетки, чието състояние на пропускливост се контролира от вътреклетъчното ниво на вторичния месинджър - IPG. Използвайки тези канали като пример, ние се натъкваме на случай, при който извънклетъчна сигнална молекула-агонист, активирайки рецептора на плазмената мембрана на целевата гладкомускулна клетка, включва инозитол фосфатния път на вътреклетъчно предаване на сигнала, който от своя страна през действието на IPE, активира следващия каналообразуващ протеин в мембраната на клетъчния органел. Цялата тази верига от събития на предаване на сигнала завършва с освобождаването на Ca 2+ йони от вътреклетъчните депа, които задействат и контролират молекулярния механизъм на свиване на гладкомускулните клетки.

Механочувствителни калциеви канали

Те са локализирани в плазмената мембрана на гладките миоцити на стените на кръвоносните съдове, миоитите на вътрешните органи, съдовия ендотел и бронхиалния епител. Тези канали могат да бъдат свързани с гликопротеинови механорецептори. В отговор на механичен стрес (например разтягане на съдовата стена от кръвното налягане), пропускливостта за Ca 2+ йони се увеличава. Механочувствителните канали нямат висока селективност и променят пропускливостта си едновременно за редица катиони. Навлизането на калций и натрий в гладкомускулната клетка причинява деполяризация на нейната мембрана, отваряне на волтаж-зависими калциеви канали, увеличаване на навлизането на калций и свиване на гладкия миоцит.

Тези събития са част от механизма за адаптиране на съдовия тонус и регулиране на кръвния поток към променящите се стойности на кръвното налягане в съда и скоростта на кръвния поток (миогенна регулация). В допълнение, механочувствителните калциеви канали участват в прилагането на механизми за релаксация на съдов стрес по време на продължително повишаване на кръвното налягане.

Хлорни канали

Хлоридните канали присъстват в плазмените мембрани на повечето клетки. Те играят важна роля в поддържането на трансмембранната потенциална разлика в клетката в покой и нейните смени, когато се промени функционалната активност на клетките. Хлоридните канали участват в регулирането на клетъчния обем, трансепителния транспорт на веществата и секрецията на течности от секреторните клетки.

В съответствие с механизмите на активиране се разграничават три суперсемейства хлорни канали: волтаж-зависими, лиганд-зависими и други волтаж-нечувствителни хлорни канали.

Потенциално зависими хлоридни канали.Локализиран в мембраните на възбудимите и епителните клетки. Състоянието на пропускливост на тези канали се контролира от големината на трансмембранната потенциална разлика.

Потенциално зависимата пропускливост на хлоридните канали варира в различните тъкани. По този начин в аксоналната мембрана зависимостта на пропускливостта на хлоридните канали от потенциалната разлика е незначителна и не влияе значително на промяната в големината на потенциала на действие по време на възбуждане, а в скелетните мускули тази зависимост на пропускливостта на хлорните канали е по-висока.

Каналът CLC1 е типичен представител на хлоридните канали на сарколемалното мускулно влакно на скелетния мускул. Каналът показва пропускливост в целия диапазон от промени в трансмембранното напрежение в състояние на покой, активира се при деполяризация и се инактивира при хиперполяризация на мембраната.

Лиганд-зависими хлоридни канали.Експресиран предимно в нервната тъкан. Състоянието на пропускливост на тези хлоридни канали се контролира предимно от извънклетъчни лиганди, но те могат да бъдат чувствителни към вътреклетъчни концентрации на калций и да се активират от G протеини и сАМР. Каналите от този тип са широко разпространени в постсинаптичните мембрани и се използват за осъществяване на постсинаптично инхибиране. Състоянието на пропускливостта на каналите се контролира чрез активиране на каналите с лиганди - инхибиторни невротрансмитери (γ-аминомаслена киселина и глицин).

Нечувствителни на напрежение хлорни канали.Включва пасивни хлоридни канали, ATP-чувствителни канали и трансмембранен регулатор на проводимостта на интерстициалната фиброза (кистознафиброзатрансмембраненпроводимострегулатор- CFTR).

CFTR очевидно се състои от самия хлорен канал и регулаторен канал, представен от специален регулаторен домейн (P-домейн). Регулирането на йонната проводимост на тези канали се осъществява чрез фосфорилиране на регулаторния домен от cAMP-зависима протеин киназа. Нарушаването на структурата и функцията на този канал води до развитие на сериозно заболяване, придружено от дисфункция на много тъкани - интерстициална фиброза.

Аквапорини

Аквапорини(от лат. аква- вода, гръцки порус- канал, пора) - протеини, които образуват водни канали и осигуряват трансмембранен пренос на вода. Аквапорините са интегрални тетрамерни мембранни протеини, чийто мономер има маса около 30 kDa. Така всеки аквапорин образува четири водни канала (фиг. 8).

Особеност на тези канали е, че водните молекули в тях могат да се движат при изосмотични условия, т.е. когато не се влияят от силите на осмотичния градиент. Съкращението AQP се използва за означаване на аквапорини. Изолирани и описани са редица видове аквапорини: AQP1 - в епителните мембрани на проксималните бъбречни тубули, низходящата част на бримката на Хенле; в мембраните на ендотела и гладките миоцити на кръвоносните съдове, в структурите на стъкловидното тяло; AQP2 - в мембраните на епитела на събирателните каналчета. Установено е, че този аквапорин е чувствителен към действието на антидиуретичния хормон и на тази основа може да се разглежда като воден канал, свързан с лиганд. Експресията на гена, който контролира синтеза на този аквапорин, се регулира от антидиуретичен хормон; AQP3 се намира в мембраните на клетките на роговицата; AQP4 – в мозъчните клетки.

Ориз. 8. Структура на водния канал AQP1: а - пептидни вериги, образуващи канала; b — сглобен канал: A, B, C, D, E — участъци от протеиновата верига

Оказа се, че AQP1 и AQP4 играят важна роля в образуването и циркулацията на цереброспиналната течност. Аквапорините се намират в епитела на стомашно-чревния тракт: AQP4 – в стомаха и тънките черва; AQP5 – в слюнчените жлези; AQP6 - в тънките черва и панкреаса; AQP7 - в тънките черва; AQP8, AQP9 - в черния дроб. Някои аквапорини транспортират не само водни молекули, но и разтворими в нея органични вещества (кислород, глицерол, урея). По този начин аквапорините играят важна роля в метаболизма на водата в организма и нарушаването на тяхната функция може да бъде една от причините за образуването на мозъчен и белодробен оток и развитието на бъбречна и сърдечна недостатъчност.

Познаването на механизмите на йонния транспорт през мембраните и методите за повлияване на този транспорт е необходимо условие не само за разбиране на механизмите на регулиране на жизнените функции, но и за правилния избор на лекарства при лечението на голям брой заболявания (хипертония , бронхиална астма, сърдечни аритмии, нарушения на водно-солевия обмен и др.).

За да се разберат механизмите на регулиране на физиологичните процеси в организма, е необходимо да се знае не само структурата и пропускливостта на клетъчните мембрани за различни вещества, но и структурата и пропускливостта на по-сложни структурни образувания, разположени между кръвта и тъканите на различни органи.

Връх

		1 напълно несъгласен	2 не са съгласни	3 Не знам	4 съгласни	5 напълно съгласни
	Тази дейност разви уменията ми за решаване на проблеми.
	За да завърша успешно този урок, всичко, от което се нуждаех, беше добра памет.
	Тази дейност разви способността ми за работа в екип.
	Тази дейност подобри аналитичните ми умения.
	Този урок подобри уменията ми за писане.
	Класът изисква задълбочено разбиране на материала.