Πρωτεΐνες μεμβρανών ως δίαυλοι ιόντων. Επιλεκτικά και μη κανάλια

Κανάλια ιόντωναντιπροσωπεύεται από ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες. Αυτές οι πρωτεΐνες είναι ικανές, κάτω από ορισμένες επιρροές, να αλλάξουν τη διάταξή τους (σχήμα και ιδιότητες) με τέτοιο τρόπο ώστε να ανοίγει ή να κλείνει ο πόρος από τον οποίο μπορεί να περάσει οποιοδήποτε ιόν. Τα κανάλια νατρίου, καλίου, ασβεστίου και χλωρίου είναι γνωστά· μερικές φορές ένα κανάλι μπορεί να περάσει δύο ιόντα, για παράδειγμα, είναι γνωστά κανάλια νατρίου-ασβεστίου. Μόνο η παθητική μεταφορά ιόντων γίνεται μέσω διαύλων ιόντων.Αυτό σημαίνει ότι για να κινηθεί ένα ιόν, απαιτείται όχι μόνο ένα ανοιχτό κανάλι, αλλά και μια βαθμίδα συγκέντρωσης για αυτό το ιόν. Σε αυτή την περίπτωση, το ιόν θα κινηθεί κατά μήκος μιας βαθμίδας συγκέντρωσης - από μια περιοχή με υψηλότερη συγκέντρωση σε μια περιοχή με χαμηλότερη συγκέντρωση. Πρέπει να θυμόμαστε ότι μιλάμε για ιόντα - φορτισμένα σωματίδια, η μεταφορά των οποίων καθορίζεται επίσης από φορτίο. Είναι δυνατές καταστάσεις όταν η κίνηση κατά μήκος της κλίσης συγκέντρωσης μπορεί να κατευθυνθεί προς μία κατεύθυνση και τα υπάρχοντα φορτία αντισταθμίζουν αυτή τη μεταφορά.

Τα κανάλια ιόντων έχουν δύο σημαντικές ιδιότητες: 1) εκλεκτικότητα (επιλεκτικότητα) προς ορισμένα ιόντα και 2) δυνατότητα ανοίγματος (ενεργοποίησης) και κλεισίματος. Όταν ενεργοποιηθεί, το κανάλι ανοίγει και επιτρέπει στα ιόντα να περάσουν (Εικ. 8). Έτσι, το σύμπλεγμα των ενσωματωμένων πρωτεϊνών που σχηματίζουν το κανάλι πρέπει απαραίτητα να περιλαμβάνει δύο στοιχεία: δομές που αναγνωρίζουν το ιόν «τους» και μπορούν να το αφήσουν να περάσει και δομές που σας επιτρέπουν να ξέρετε πότε να αφήσετε αυτό το ιόν να περάσει. Η επιλεκτικότητα του καναλιού καθορίζεται από τις πρωτεΐνες που το σχηματίζουν· το «δικό του» ιόν αναγνωρίζεται από το μέγεθος και το φορτίο του.

Ενεργοποίηση καναλιούδυνατό με διάφορους τρόπους. Πρώτον, τα κανάλια μπορούν να ανοίγουν και να κλείνουν καθώς αλλάζει το δυναμικό της μεμβράνης. Η αλλαγή στο φορτίο οδηγεί σε αλλαγή στη διαμόρφωση των μορίων πρωτεΐνης και το κανάλι γίνεται διαπερατό στο ιόν. Για να αλλάξετε τις ιδιότητες του καναλιού, αρκεί μια μικρή διακύμανση στο δυναμικό της μεμβράνης. Τέτοια κανάλια ονομάζονται εξαρτάται από την τάση(ή ηλεκτρικά ελεγχόμενο). Δεύτερον, τα κανάλια μπορεί να αποτελούν μέρος ενός συμπλόκου πρωτεϊνικού συμπλέγματος που ονομάζεται υποδοχέας μεμβράνης. Σε αυτή την περίπτωση, η αλλαγή στις ιδιότητες του καναλιού προκαλείται από μια διαμορφωτική αναδιάταξη των πρωτεϊνών, η οποία συμβαίνει ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του υποδοχέα με μια βιολογικά δραστική ουσία (ορμόνη, μεσολαβητής). Τέτοια κανάλια ονομάζονται χημειοεξαρτώμενος(ή με πύλη υποδοχέα ) . Επιπλέον, τα κανάλια μπορούν να ανοίξουν υπό μηχανική επίδραση - πίεση, τέντωμα (Εικ. 9). Ο μηχανισμός που παρέχει την ενεργοποίηση ονομάζεται πύλη καναλιού. Με βάση την ταχύτητα με την οποία ανοίγουν και κλείνουν τα κανάλια, μπορούν να χωριστούν σε γρήγορα και αργά.

Τα περισσότερα κανάλια (κάλιο, ασβέστιο, χλωριούχο) μπορεί να είναι σε δύο καταστάσεις: ανοικτά και κλειστά. Υπάρχουν κάποιες ιδιαιτερότητες στη λειτουργία των καναλιών νατρίου. Αυτά τα κανάλια, όπως το κάλιο, το ασβέστιο και το χλωρίδιο, τείνουν να είναι είτε σε ανοιχτή είτε σε κλειστή κατάσταση, ωστόσο, το κανάλι νατρίου μπορεί επίσης να απενεργοποιηθεί, αυτή είναι μια κατάσταση στην οποία το κανάλι είναι κλειστό και δεν μπορεί να ανοίξει με καμία επίδραση ( Εικ. 10).

Εικόνα 8. Καταστάσεις καναλιού ιόντων

Σχήμα 9. Παράδειγμα καναλιού με πύλη υποδοχέα. ACh – ακετυλοχολίνη. Η αλληλεπίδραση του μορίου ACh με τον υποδοχέα της μεμβράνης αλλάζει τη διαμόρφωση της πρωτεΐνης πύλης με τέτοιο τρόπο ώστε το κανάλι αρχίζει να επιτρέπει στα ιόντα να περνούν.

Εικόνα 10 Παράδειγμα καναλιού που εξαρτάται από το δυναμικό

Το κανάλι νατρίου με πύλη τάσης έχει πύλες ενεργοποίησης και απενεργοποίησης (πύλες). Οι πύλες ενεργοποίησης και απενεργοποίησης αλλάζουν τη διαμόρφωση σε διαφορετικά δυναμικά μεμβράνης.

Όταν εξετάζουμε τους μηχανισμούς διέγερσης, θα μας ενδιαφέρει κυρίως η εργασία των καναλιών νατρίου και καλίου, ωστόσο, ας σταθούμε εν συντομία στα χαρακτηριστικά των καναλιών ασβεστίου, θα τα χρειαστούμε στο μέλλον. Τα κανάλια νατρίου και ασβεστίου διαφέρουν ως προς τις ιδιότητές τους. Τα κανάλια νατρίου είναι γρήγορα και αργά, ενώ τα κανάλια ασβεστίου είναι μόνο αργά. Η ενεργοποίηση των καναλιών νατρίου οδηγεί μόνο σε εκπόλωση και στην εμφάνιση είτε LO είτε AP· η ενεργοποίηση των διαύλων ασβεστίου μπορεί επιπλέον να προκαλέσει μεταβολικές αλλαγές στο κύτταρο. Αυτές οι αλλαγές οφείλονται στο γεγονός ότι το ασβέστιο συνδέεται με ειδικές πρωτεΐνες που είναι ευαίσθητες σε αυτό το ιόν. Η δεσμευμένη στο ασβέστιο πρωτεΐνη αλλάζει τις ιδιότητές της με τέτοιο τρόπο που καθίσταται ικανή να αλλάζει τις ιδιότητες άλλων πρωτεϊνών, για παράδειγμα, να ενεργοποιεί ένζυμα, να προκαλεί συστολή των μυών και να απελευθερώνει μεσολαβητές.

Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις, οι βιολογικές μεμβράνες αποτελούν το εξωτερικό κέλυφος όλων των ζωικών κυττάρων και σχηματίζουν πολυάριθμα ενδοκυτταρικά οργανίδια. Το πιο χαρακτηριστικό δομικό χαρακτηριστικό είναι ότι οι μεμβράνες σχηματίζουν πάντα κλειστούς χώρους και αυτή η μικροδομική οργάνωση των μεμβρανών τους επιτρέπει να εκτελούν βασικές λειτουργίες.

Δομή και λειτουργίες των κυτταρικών μεμβρανών.

1. Η λειτουργία φραγμού εκφράζεται στο γεγονός ότι η μεμβράνη, χρησιμοποιώντας κατάλληλους μηχανισμούς, συμμετέχει στη δημιουργία βαθμίδων συγκέντρωσης, εμποδίζοντας την ελεύθερη διάχυση. Στην περίπτωση αυτή, η μεμβράνη συμμετέχει στους μηχανισμούς ηλεκτρογένεσης. Αυτά περιλαμβάνουν μηχανισμούς για τη δημιουργία δυναμικού ηρεμίας, δημιουργία δυναμικού δράσης, μηχανισμούς για τη διάδοση βιοηλεκτρικών παλμών σε ομοιογενείς και ετερογενείς διεγέρσιμες δομές.

2. Η ρυθμιστική λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης είναι η λεπτή ρύθμιση του ενδοκυτταρικού περιεχομένου και των ενδοκυτταρικών αντιδράσεων λόγω της λήψης εξωκυτταρικών βιολογικά δραστικών ουσιών, η οποία οδηγεί σε αλλαγές στη δραστηριότητα των ενζυμικών συστημάτων της μεμβράνης και στην εκκίνηση μηχανισμών δευτερογενούς « αγγελιοφόροι» («μεσάζοντες»).

3. Μετατροπή εξωτερικών ερεθισμάτων μη ηλεκτρικής φύσης σε ηλεκτρικά σήματα (σε υποδοχείς).

4. Απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών σε συναπτικές απολήξεις.

Οι σύγχρονες μέθοδοι ηλεκτρονικής μικροσκοπίας προσδιόρισαν το πάχος των κυτταρικών μεμβρανών (6-12 nm). Η χημική ανάλυση έδειξε ότι οι μεμβράνες αποτελούνται κυρίως από λιπίδια και πρωτεΐνες, η ποσότητα των οποίων ποικίλλει μεταξύ των διαφορετικών τύπων κυττάρων. Η δυσκολία της μελέτης των μοριακών μηχανισμών της λειτουργίας των κυτταρικών μεμβρανών οφείλεται στο γεγονός ότι κατά την απομόνωση και τον καθαρισμό των κυτταρικών μεμβρανών διαταράσσεται η κανονική τους λειτουργία. Επί του παρόντος, μπορούμε να μιλήσουμε για διάφορους τύπους μοντέλων κυτταρικής μεμβράνης, μεταξύ των οποίων το μοντέλο υγρού μωσαϊκού είναι το πιο διαδεδομένο.

Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, η μεμβράνη αντιπροσωπεύεται από μια διπλή στιβάδα μορίων φωσφολιπιδίου, προσανατολισμένη με τέτοιο τρόπο ώστε τα υδρόφοβα άκρα των μορίων να βρίσκονται μέσα στη διπλή στιβάδα και τα υδρόφιλα άκρα να κατευθύνονται στην υδατική φάση. Αυτή η δομή είναι ιδανική για το σχηματισμό ενός διαχωρισμού μεταξύ δύο φάσεων: εξω- και ενδοκυτταρική.

Οι σφαιρικές πρωτεΐνες ενσωματώνονται στη διπλοστοιβάδα των φωσφολιπιδίων, οι πολικές περιοχές της οποίας σχηματίζουν μια υδρόφιλη επιφάνεια στην υδατική φάση. Αυτές οι ενσωματωμένες πρωτεΐνες εκτελούν διάφορες λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένων των υποδοχέων, των ενζυματικών, σχηματίζουν κανάλια ιόντων, είναι αντλίες μεμβράνης και μεταφορείς ιόντων και μορίων.

Μερικά μόρια πρωτεΐνης διαχέονται ελεύθερα στο επίπεδο της λιπιδικής στιβάδας. Στην κανονική κατάσταση, τα μέρη των μορίων πρωτεΐνης που αναδύονται σε διαφορετικές πλευρές της κυτταρικής μεμβράνης δεν αλλάζουν τη θέση τους.

Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μεμβρανών:

Οι χωρητικές ιδιότητες προσδιορίζονται κυρίως από τη διπλοστοιβάδα φωσφολιπιδίων, η οποία είναι αδιαπέραστη από τα ενυδατωμένα ιόντα και ταυτόχρονα αρκετά λεπτή (περίπου 5 nm) ώστε να επιτρέπει τον αποτελεσματικό διαχωρισμό και τη συσσώρευση φορτίων και την ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση κατιόντων και ανιόντων. Επιπλέον, οι χωρητικές ιδιότητες των κυτταρικών μεμβρανών είναι ένας από τους λόγους που καθορίζουν τα χρονικά χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών διεργασιών που συμβαίνουν στις κυτταρικές μεμβράνες.

Η αγωγιμότητα (g) είναι το αντίστροφο της ηλεκτρικής αντίστασης και είναι ίση με την αναλογία του συνολικού ρεύματος διαμεμβράνης για ένα δεδομένο ιόν προς την τιμή που καθόρισε τη διαφορά δυναμικού διαμεμβράνης του.

Διάφορες ουσίες μπορούν να διαχέονται μέσω της διπλής στοιβάδας φωσφολιπιδίων και ο βαθμός διαπερατότητας (P), δηλαδή η ικανότητα της κυτταρικής μεμβράνης να διοχετεύει αυτές τις ουσίες, εξαρτάται από τη διαφορά στις συγκεντρώσεις της ουσίας διάχυσης και στις δύο πλευρές της μεμβράνης, τη διαλυτότητά της στα λιπίδια και τις ιδιότητες της κυτταρικής μεμβράνης.

Η αγωγιμότητα μιας μεμβράνης είναι ένα μέτρο της ιοντικής της διαπερατότητας. Η αύξηση της αγωγιμότητας υποδηλώνει αύξηση του αριθμού των ιόντων που διέρχονται από τη μεμβράνη.

Δομή και λειτουργίες διαύλων ιόντων. Τα ιόντα Na+, K+, Ca2+, Cl- διεισδύουν στο κύτταρο και εξέρχονται από ειδικά κανάλια γεμάτα υγρό. Το μέγεθος του καναλιού είναι αρκετά μικρό.

Όλα τα κανάλια ιόντων χωρίζονται στις ακόλουθες ομάδες:

1. Με επιλεκτικότητα:

α) Επιλεκτική, δηλ. ειδικός. Αυτά τα κανάλια είναι διαπερατά σε αυστηρά καθορισμένα ιόντα.

β) Χαμηλή εκλεκτικότητα, μη ειδική, χωρίς ειδική επιλεκτικότητα ιόντων. Υπάρχει ένας μικρός αριθμός από αυτούς στη μεμβράνη.

1. Σύμφωνα με τη φύση των ιόντων που διέρχονται από:

α) κάλιο

β) νάτριο

γ) ασβέστιο

δ) χλώριο

1. Σύμφωνα με το ρυθμό αδρανοποίησης, δηλ. κλείσιμο:

α) γρήγορη απενεργοποίηση, δηλ. μετατρέπεται γρήγορα σε κλειστή κατάσταση. Παρέχουν μια ταχέως αυξανόμενη μείωση του MP και εξίσου γρήγορη ανάκαμψη.

β) βραδείας δράσης. Το άνοιγμά τους προκαλεί αργή μείωση του MP και αργή ανάκτησή του.

4. Σύμφωνα με τους μηχανισμούς ανοίγματος:

α) δυνητικό-εξαρτώμενο, δηλ. αυτά που ανοίγουν σε ένα ορισμένο επίπεδο δυναμικού μεμβράνης.

β) χημειοεξαρτώμενο, άνοιγμα όταν οι χημειοϋποδοχείς της κυτταρικής μεμβράνης εκτίθενται σε φυσιολογικά δραστικές ουσίες (νευροδιαβιβαστές, ορμόνες κ.λπ.).

Έχει πλέον αποδειχθεί ότι τα κανάλια ιόντων έχουν την ακόλουθη δομή:

1. Επιλεκτικό φίλτρο που βρίσκεται στο στόμιο του καναλιού. Εξασφαλίζει τη διέλευση αυστηρά καθορισμένων ιόντων μέσω του καναλιού.

2. Πύλες ενεργοποίησης που ανοίγουν σε ένα ορισμένο επίπεδο δυναμικού μεμβράνης ή της δράσης του αντίστοιχου PAS. Οι πύλες ενεργοποίησης των καναλιών που εξαρτώνται από το δυναμικό έχουν έναν αισθητήρα που τα ανοίγει σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο MP.

3. Πύλη αδρανοποίησης, που διασφαλίζει το κλείσιμο του καναλιού και τη διακοπή της ροής ιόντων μέσω του καναλιού σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο MP (Εικ.).

Τα μη ειδικά κανάλια ιόντων δεν έχουν πύλη.

Οι επιλεκτικοί δίαυλοι ιόντων μπορούν να υπάρχουν σε τρεις καταστάσεις, οι οποίες καθορίζονται από τη θέση των πυλών ενεργοποίησης (m) και αδρανοποίησης (h):

1.Κλείνει όταν οι ενεργοποιήσεις είναι κλειστές και οι αδρανοποίησης είναι ανοιχτές.

2. Ενεργοποιήθηκε, και οι δύο πύλες είναι ανοιχτές.

3. Ανενεργό, η πύλη ενεργοποίησης είναι ανοιχτή και η πύλη αδρανοποίησης είναι κλειστή

Λειτουργίες καναλιών ιόντων:

1. Κάλιο (σε ηρεμία) – δημιουργία δυναμικού ηρεμίας

2. Νάτριο – δημιουργία δυναμικού δράσης

3. Ασβέστιο - παραγωγή αργής δράσης

4. Κάλιο (καθυστερημένη διόρθωση) – εξασφάλιση επαναπόλωσης

5. Ενεργοποιημένο με κάλιο ασβέστιο – περιορίζοντας την εκπόλωση που προκαλείται από ρεύμα Ca+2

Η λειτουργία των διαύλων ιόντων μελετάται με διάφορους τρόπους. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος είναι ο σφιγκτήρας τάσης ή "σφιγκτήρας τάσης". Η ουσία της μεθόδου είναι ότι, με τη βοήθεια ειδικών ηλεκτρονικών συστημάτων, το δυναμικό της μεμβράνης αλλάζει και σταθεροποιείται σε ένα ορισμένο επίπεδο κατά τη διάρκεια του πειράματος. Σε αυτή την περίπτωση, μετράται το μέγεθος του ιοντικού ρεύματος που διαρρέει τη μεμβράνη. Εάν η διαφορά δυναμικού είναι σταθερή, τότε, σύμφωνα με το νόμο του Ohm, το μέγεθος του ρεύματος είναι ανάλογο με την αγωγιμότητα των διαύλων ιόντων. Σε απόκριση στη σταδιακή αποπόλωση, ορισμένα κανάλια ανοίγουν και τα αντίστοιχα ιόντα εισέρχονται στο στοιχείο κατά μήκος μιας ηλεκτροχημικής βαθμίδας, δηλαδή, προκύπτει ένα ρεύμα ιόντων που εκπολώνει το στοιχείο. Αυτή η αλλαγή ανιχνεύεται από έναν ενισχυτή ελέγχου και ένα ηλεκτρικό ρεύμα περνά μέσα από τη μεμβράνη, ίσο σε μέγεθος αλλά αντίθετο ως προς το ρεύμα ιόντων της μεμβράνης. Σε αυτή την περίπτωση, η διαφορά δυναμικού διαμεμβράνης δεν αλλάζει.

Η μελέτη της λειτουργίας μεμονωμένων καναλιών είναι δυνατή χρησιμοποιώντας τη μέθοδο τοπικής στερέωσης του δυναμικού "διαδρομής-σφιγκτήρα". Ένα γυάλινο μικροηλεκτρόδιο (μικροπιπέτα) γεμίζεται με αλατούχο διάλυμα, πιέζεται στην επιφάνεια της μεμβράνης και δημιουργείται ένα ελαφρύ κενό. Σε αυτή την περίπτωση, μέρος της μεμβράνης αναρροφάται στο μικροηλεκτρόδιο. Εάν εμφανιστεί ένα κανάλι ιόντων στη ζώνη αναρρόφησης, τότε καταγράφεται η δραστηριότητα ενός μόνο καναλιού. Το σύστημα ερεθισμού και καταγραφής της δραστηριότητας του καναλιού διαφέρει ελάχιστα από το σύστημα καταγραφής τάσης.

Το ρεύμα μέσω ενός μονού καναλιού ιόντων έχει ορθογώνιο σχήμα και είναι το ίδιο σε πλάτος για κανάλια διαφορετικών τύπων. Η διάρκεια παραμονής του καναλιού στην ανοιχτή κατάσταση είναι πιθανολογική, αλλά εξαρτάται από την τιμή του δυναμικού της μεμβράνης. Το συνολικό ρεύμα ιόντων καθορίζεται από την πιθανότητα ένας συγκεκριμένος αριθμός καναλιών να βρίσκεται σε ανοιχτή κατάσταση σε κάθε συγκεκριμένη χρονική περίοδο.

Το εξωτερικό τμήμα του καναλιού είναι σχετικά προσβάσιμο για μελέτη· η μελέτη του εσωτερικού τμήματος παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες. Ο P. G. Kostyuk ανέπτυξε μια μέθοδο ενδοκυτταρικής κάθαρσης, η οποία επιτρέπει σε κάποιον να μελετήσει τη λειτουργία των δομών εισόδου και εξόδου των διαύλων ιόντων χωρίς τη χρήση μικροηλεκτροδίων. Αποδείχθηκε ότι το τμήμα του διαύλου ιόντων που είναι ανοιχτό στον εξωκυττάριο χώρο διαφέρει στις λειτουργικές του ιδιότητες από το τμήμα του καναλιού που βλέπει στο ενδοκυτταρικό περιβάλλον.

Τα κανάλια ιόντων είναι αυτά που παρέχουν δύο σημαντικές ιδιότητες της μεμβράνης: την εκλεκτικότητα και την αγωγιμότητα.

Η επιλεκτικότητα, ή επιλεκτικότητα, του καναλιού εξασφαλίζεται από την ειδική πρωτεϊνική δομή του. Τα περισσότερα κανάλια ελέγχονται ηλεκτρικά, δηλαδή η ικανότητά τους να αγώγουν ιόντα εξαρτάται από το μέγεθος του δυναμικού της μεμβράνης. Το κανάλι είναι ετερογενές ως προς τα λειτουργικά του χαρακτηριστικά, ειδικά όσον αφορά τις πρωτεϊνικές δομές που βρίσκονται στην είσοδο του καναλιού και στην έξοδό του (οι λεγόμενοι μηχανισμοί πύλης).

Ας εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας των διαύλων ιόντων χρησιμοποιώντας το κανάλι νατρίου ως παράδειγμα. Πιστεύεται ότι το κανάλι νατρίου είναι κλειστό σε κατάσταση ηρεμίας. Όταν η κυτταρική μεμβράνη αποπολωθεί σε ένα ορισμένο επίπεδο, η πύλη ενεργοποίησης m ανοίγει (ενεργοποίηση) και η ροή των ιόντων Na+ στο κύτταρο αυξάνεται. Λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά το άνοιγμα της πύλης m, η πύλη h που βρίσκεται στην έξοδο των καναλιών νατρίου κλείνει (απενεργοποίηση). Η αδρανοποίηση αναπτύσσεται πολύ γρήγορα στην κυτταρική μεμβράνη και ο βαθμός αδρανοποίησης εξαρτάται από το μέγεθος και το χρόνο δράσης του εκπολωτικού ερεθίσματος.

Όταν δημιουργείται ένα μοναδικό δυναμικό δράσης σε μια παχιά νευρική ίνα, η αλλαγή στη συγκέντρωση των ιόντων Na+ στο εσωτερικό περιβάλλον είναι μόνο το 1/100.000 της εσωτερικής περιεκτικότητας σε ιόντα Na+ του γιγάντια νευράξονα του καλαμαριού.

Εκτός από το νάτριο, άλλοι τύποι καναλιών είναι εγκατεστημένοι σε κυτταρικές μεμβράνες που είναι επιλεκτικά διαπερατοί σε μεμονωμένα ιόντα: K+, Ca2+ και υπάρχουν ποικιλίες καναλιών για αυτά τα ιόντα.

Οι Hodgkin και Huxley διατύπωσαν την αρχή της «ανεξαρτησίας» των καναλιών, σύμφωνα με την οποία η ροή του νατρίου και του καλίου στη μεμβράνη είναι ανεξάρτητη μεταξύ τους.

Οι ιδιότητες αγωγιμότητας διαφορετικών καναλιών δεν είναι ίδιες. Συγκεκριμένα, για τα κανάλια καλίου, η διαδικασία αδρανοποίησης δεν υφίσταται, όπως για τα κανάλια νατρίου. Υπάρχουν ειδικά κανάλια καλίου που ενεργοποιούνται όταν αυξάνεται η ενδοκυτταρική συγκέντρωση ασβεστίου και η κυτταρική μεμβράνη εκπολώνεται. Η ενεργοποίηση των καναλιών που εξαρτώνται από το κάλιο επιταχύνει την επαναπόλωση, αποκαθιστώντας έτσι την αρχική τιμή του δυναμικού ηρεμίας.

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα κανάλια ασβεστίου. Το εισερχόμενο ρεύμα ασβεστίου συνήθως δεν είναι αρκετά μεγάλο για να εκπολώσει κανονικά την κυτταρική μεμβράνη. Τις περισσότερες φορές, το ασβέστιο που εισέρχεται στο κύτταρο λειτουργεί ως «αγγελιοφόρος» ή δευτερεύων αγγελιοφόρος. Η ενεργοποίηση των διαύλων ασβεστίου επιτυγχάνεται με αποπόλωση της κυτταρικής μεμβράνης, για παράδειγμα με ένα εισερχόμενο ρεύμα νατρίου.

Η διαδικασία αδρανοποίησης των καναλιών ασβεστίου είναι αρκετά περίπλοκη. Από τη μία πλευρά, η αύξηση της ενδοκυτταρικής συγκέντρωσης ελεύθερου ασβεστίου οδηγεί σε αδρανοποίηση των διαύλων ασβεστίου. Από την άλλη πλευρά, οι πρωτεΐνες στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων δεσμεύουν το ασβέστιο, γεγονός που καθιστά δυνατή τη διατήρηση ενός σταθερού ρεύματος ασβεστίου για μεγάλο χρονικό διάστημα, αν και σε χαμηλό επίπεδο. Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα νατρίου καταστέλλεται πλήρως. Τα κανάλια ασβεστίου παίζουν ουσιαστικό ρόλο στα καρδιακά κύτταρα. Η ηλεκτρογένεση των καρδιομυοκυττάρων συζητείται στο Κεφάλαιο 7. Τα ηλεκτροφυσιολογικά χαρακτηριστικά των κυτταρικών μεμβρανών μελετώνται χρησιμοποιώντας ειδικές μεθόδους.

Όλα τα κανάλια που υπάρχουν σε ζωντανούς ιστούς, και τώρα γνωρίζουμε αρκετές εκατοντάδες τύπους καναλιών, μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριους τύπους. Ο πρώτος τύπος είναι κανάλια ανάπαυσης,που ανοίγουν και κλείνουν αυθόρμητα χωρίς καμία εξωτερική επιρροή. Είναι σημαντικά για τη δημιουργία του δυναμικού ηρεμίας της μεμβράνης. Ο δεύτερος τύπος είναι το λεγόμενο κανάλια πύλης,ή κανάλια πύλης(από τη λέξη "πύλη") . Σε κατάσταση ηρεμίας, αυτά τα κανάλια είναι κλειστά και μπορούν να ανοίξουν υπό την επίδραση ορισμένων ερεθισμάτων. Ορισμένοι τύποι τέτοιων καναλιών εμπλέκονται στη δημιουργία δυνατοτήτων δράσης.

Τα περισσότερα κανάλια ιόντων χαρακτηρίζονται εκλεκτικότητα(επιλεκτικότητα), δηλαδή μόνο ορισμένα ιόντα διέρχονται από ένα συγκεκριμένο τύπο καναλιού. Με βάση αυτό το χαρακτηριστικό, διακρίνονται τα κανάλια νατρίου, καλίου, ασβεστίου και χλωρίου. Η επιλεκτικότητα των καναλιών καθορίζεται από το μέγεθος του πόρου, το μέγεθος του ιόντος και του κελύφους ενυδάτωσής του, το φορτίο του ιόντος, καθώς και το φορτίο της εσωτερικής επιφάνειας του καναλιού. Ωστόσο, υπάρχουν επίσης μη εκλεκτικά κανάλια που μπορούν να περάσουν δύο τύπους ιόντων ταυτόχρονα: για παράδειγμα, κάλιο και νάτριο. Υπάρχουν κανάλια από τα οποία μπορούν να περάσουν όλα τα ιόντα και ακόμη μεγαλύτερα μόρια.

Υπάρχει μια ταξινόμηση των διαύλων ιόντων σύμφωνα με μέθοδος ενεργοποίησης(Εικ. 9). Ορισμένα κανάλια ανταποκρίνονται ειδικά σε φυσικές αλλαγές στην κυτταρική μεμβράνη του νευρώνα. Οι πιο επιφανείς εκπρόσωποι αυτής της ομάδας είναι κανάλια που ενεργοποιούνται με τάση. Παραδείγματα περιλαμβάνουν ευαίσθητα στην τάση κανάλια ιόντων νατρίου, καλίου και ασβεστίου στη μεμβράνη, τα οποία είναι υπεύθυνα για το σχηματισμό του δυναμικού δράσης. Αυτά τα κανάλια ανοίγουν σε ένα συγκεκριμένο δυναμικό μεμβράνης. Έτσι, τα κανάλια νατρίου και καλίου ανοίγουν σε δυναμικό περίπου -60 mV (η εσωτερική επιφάνεια της μεμβράνης είναι αρνητικά φορτισμένη σε σύγκριση με την εξωτερική επιφάνεια). Τα κανάλια ασβεστίου ανοίγουν σε δυναμικό -30 mV. Η ομάδα καναλιών που ενεργοποιούνται από φυσικές αλλαγές περιλαμβάνει

Εικόνα 9. Μέθοδοι ενεργοποίησης διαύλων ιόντων

(Α) Δίαυλος ιόντων που ενεργοποιούνται από αλλαγές στο δυναμικό της μεμβράνης ή στο τέντωμα της μεμβράνης. (Β) Δίαυλος ιόντων που ενεργοποιούνται από χημικούς παράγοντες (συνδέτες) από την εξωκυτταρική ή ενδοκυτταρική πλευρά.

Επίσης μηχανοευαίσθητα κανάλιαπου ανταποκρίνονται σε μηχανικές καταπονήσεις (διάταση ή παραμόρφωση της κυτταρικής μεμβράνης). Μια άλλη ομάδα διαύλων ιόντων ανοίγει όταν οι χημικές ουσίες ενεργοποιούν ειδικές θέσεις δέσμευσης υποδοχέα στο μόριο του καναλιού. Τέτοιος κανάλια που ενεργοποιούνται από συνδέτηχωρίζονται σε δύο υποομάδες, ανάλογα με το αν τα κέντρα των υποδοχέων τους είναι ενδοκυτταρικά ή εξωκυτταρικά. Τα κανάλια που ενεργοποιούνται από συνδέτη που ανταποκρίνονται σε εξωκυτταρικά ερεθίσματα ονομάζονται επίσης ιοντοτροπικούς υποδοχείς.Τέτοια κανάλια είναι ευαίσθητα στους πομπούς και εμπλέκονται άμεσα στη μετάδοση πληροφοριών σε συναπτικές δομές. Τα κανάλια που ενεργοποιούνται από συνδέτη, που ενεργοποιούνται από την κυτταροπλασματική πλευρά, περιλαμβάνουν κανάλια που είναι ευαίσθητα σε αλλαγές στη συγκέντρωση συγκεκριμένων ιόντων. Για παράδειγμα, τα κανάλια καλίου που ενεργοποιούνται από το ασβέστιο ενεργοποιούνται από τοπικές αυξήσεις στην ενδοκυτταρική συγκέντρωση ασβεστίου. Τέτοια κανάλια παίζουν σημαντικό ρόλο στην επαναπόλωση της κυτταρικής μεμβράνης κατά τον τερματισμό ενός δυναμικού δράσης. Εκτός από τα ιόντα ασβεστίου, τυπικοί εκπρόσωποι των ενδοκυτταρικών προσδεμάτων είναι τα κυκλικά νουκλεοτίδια. Η κυκλική GMP, για παράδειγμα, είναι υπεύθυνη για την ενεργοποίηση των καναλιών νατρίου στις ράβδους του αμφιβληστροειδούς. Αυτός ο τύπος καναλιού παίζει θεμελιώδη ρόλο στη λειτουργία του οπτικού αναλυτή. Ένας ξεχωριστός τύπος διαμόρφωσης της λειτουργίας του καναλιού με τη δέσμευση ενός ενδοκυτταρικού συνδετήρα είναι η φωσφορυλίωση/αποφωσφορυλίωση ορισμένων τμημάτων του πρωτεϊνικού μορίου του υπό τη δράση ενδοκυτταρικών ενζύμων - πρωτεϊνικών κινασών και πρωτεϊνικών φωσφατάσης.

Η παρουσιαζόμενη ταξινόμηση των καναλιών με τη μέθοδο ενεργοποίησης είναι σε μεγάλο βαθμό αυθαίρετη. Μερικά κανάλια ιόντων μπορούν να ενεργοποιηθούν μόνο από λίγα ερεθίσματα. Για παράδειγμα, τα κανάλια καλίου που ενεργοποιούνται από το ασβέστιο είναι επίσης ευαίσθητα σε αλλαγές στο δυναμικό και ορισμένα κανάλια ιόντων που ενεργοποιούνται με τάση είναι ευαίσθητα σε ενδοκυτταρικούς συνδέτες.

Το μοντέλο διεγέρσιμης μεμβράνης σύμφωνα με τη θεωρία Hodgkin-Huxley προϋποθέτει την ελεγχόμενη μεταφορά ιόντων κατά μήκος της μεμβράνης. Ωστόσο, η άμεση μετάβαση ενός ιόντος μέσω της λιπιδικής διπλοστιβάδας είναι πολύ δύσκολη και επομένως η ροή ιόντων θα ήταν μικρή.

Αυτό και μια σειρά από άλλες σκέψεις έδωσαν λόγους να πιστεύουμε ότι η μεμβράνη πρέπει να περιέχει ορισμένες ειδικές δομές - αγώγιμα ιόντα. Τέτοιες δομές βρέθηκαν και ονομάστηκαν κανάλια ιόντων. Παρόμοια κανάλια έχουν απομονωθεί από διάφορα αντικείμενα: την πλασματική μεμβράνη των κυττάρων, τη μετασυναπτική μεμβράνη των μυϊκών κυττάρων και άλλα αντικείμενα. Οι δίαυλοι ιόντων που σχηματίζονται από τα αντιβιοτικά είναι επίσης γνωστοί.

Βασικές ιδιότητες των διαύλων ιόντων:

1) επιλεκτικότητα.

2) ανεξαρτησία λειτουργίας μεμονωμένων καναλιών.

3) διακριτή φύση της αγωγιμότητας.

4) εξάρτηση των παραμέτρων του καναλιού από το δυναμικό της μεμβράνης.

Ας τα δούμε με τη σειρά.

1. Επιλεκτικότητα είναι η ικανότητα των καναλιών ιόντων να επιτρέπουν επιλεκτικά να περάσουν ιόντα ενός τύπου.

Ακόμη και στα πρώτα πειράματα στον άξονα του καλαμαριού, ανακαλύφθηκε ότι τα ιόντα Na+ και Kt έχουν διαφορετικές επιδράσεις στο δυναμικό της μεμβράνης. Τα ιόντα K+ αλλάζουν το δυναμικό ηρεμίας και τα ιόντα Na+ αλλάζουν το δυναμικό δράσης. Το μοντέλο Hodgkin-Huxley το περιγράφει αυτό εισάγοντας ανεξάρτητα κανάλια ιόντων καλίου και νατρίου. Θεωρήθηκε ότι τα πρώτα επιτρέπουν μόνο τα ιόντα Κ+ να περάσουν και τα δεύτερα μόνο τα ιόντα Na+.

Οι μετρήσεις έδειξαν ότι οι δίαυλοι ιόντων έχουν απόλυτη επιλεκτικότητα προς κατιόντα (κανάλια επιλεκτικά κατιόντα) ή ανιόντα (κανάλια επιλεκτικά ανιόντα). Ταυτόχρονα, διάφορα κατιόντα διαφόρων χημικών στοιχείων μπορούν να περάσουν από επιλεκτικά κατιόντα κανάλια, αλλά η αγωγιμότητα της μεμβράνης για το δευτερεύον ιόν, και επομένως το ρεύμα μέσω αυτού, θα είναι σημαντικά χαμηλότερη, για παράδειγμα, για το κανάλι Na + , το ρεύμα καλίου μέσω αυτού θα είναι 20 φορές μικρότερο. Η ικανότητα ενός διαύλου ιόντων να διέρχεται διαφορετικά ιόντα ονομάζεται σχετική επιλεκτικότητα και χαρακτηρίζεται από μια σειρά επιλεκτικότητας - ο λόγος της αγωγιμότητας του καναλιού για διαφορετικά ιόντα που λαμβάνονται στην ίδια συγκέντρωση. Σε αυτήν την περίπτωση, για το κύριο ιόν, η επιλεκτικότητα λαμβάνεται ως 1. Για παράδειγμα, για το κανάλι Na+ αυτή η σειρά έχει τη μορφή:

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

2. Ανεξαρτησία λειτουργίας επιμέρους καναλιών. Η ροή του ρεύματος μέσω ενός μεμονωμένου καναλιού ιόντων είναι ανεξάρτητη από το εάν το ρεύμα ρέει μέσω άλλων καναλιών. Για παράδειγμα, τα κανάλια K + μπορούν να ενεργοποιηθούν ή να απενεργοποιηθούν, αλλά το ρεύμα μέσω των καναλιών Na + δεν αλλάζει. Η επίδραση των καναλιών μεταξύ τους συμβαίνει έμμεσα: μια αλλαγή στη διαπερατότητα ορισμένων καναλιών (για παράδειγμα, του νατρίου) αλλάζει το δυναμικό της μεμβράνης και αυτό ήδη επηρεάζει την αγωγιμότητα άλλων καναλιών ιόντων.

3. Διακριτή φύση της αγωγιμότητας των διαύλων ιόντων. Οι δίαυλοι ιόντων είναι ένα σύμπλεγμα υπομονάδων πρωτεϊνών που εκτείνονται στη μεμβράνη. Στο κέντρο του υπάρχει ένας σωλήνας από τον οποίο μπορούν να περάσουν ιόντα. Ο αριθμός των διαύλων ιόντων ανά επιφάνεια μεμβράνης 1 μm 2 προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας έναν ραδιενεργά επισημασμένο αποκλειστή διαύλων νατρίου - τετροδοτοξίνη. Είναι γνωστό ότι ένα μόριο TTX συνδέεται μόνο σε ένα κανάλι. Στη συνέχεια, η μέτρηση της ραδιενέργειας ενός δείγματος με μια γνωστή περιοχή κατέστησε δυνατό να φανεί ότι υπάρχουν περίπου 500 κανάλια νατρίου ανά 1 μm2 άξονα καλαμαριού.

Αυτά τα διαμεμβρανικά ρεύματα που μετρώνται σε συμβατικά πειράματα, για παράδειγμα, σε έναν άξονα καλαμαριού μήκους 1 cm και διαμέτρου 1 mm, δηλαδή σε επιφάνεια 3 * 10 7 μm 2, οφείλονται στη συνολική απόκριση (αλλαγή αγωγιμότητα) των 500 3 10 7 -10 10 καναλιών ιόντων. Αυτή η απόκριση χαρακτηρίζεται από μια ομαλή αλλαγή στην αγωγιμότητα με την πάροδο του χρόνου. Η απόκριση ενός μεμονωμένου καναλιού ιόντων αλλάζει με την πάροδο του χρόνου με έναν θεμελιωδώς διαφορετικό τρόπο: διακριτά για τα κανάλια Na+ και για τα κανάλια K+- και Ca2+.

Αυτό ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1962 σε μελέτες για την αγωγιμότητα των μεμβρανών διπλής στιβάδας λιπιδίων (BLMs) όταν προστέθηκαν μικροποσότητες μιας συγκεκριμένης ουσίας που διεγείρει τη διέγερση στο διάλυμα που περιβάλλει τη μεμβράνη. Εφαρμόστηκε σταθερή τάση στο BLM και καταγράφηκε το ρεύμα I(t). Το ρεύμα καταγράφηκε με την πάροδο του χρόνου με τη μορφή άλματος μεταξύ δύο αγώγιμων καταστάσεων.

Μία από τις αποτελεσματικές μεθόδους για την πειραματική μελέτη των διαύλων ιόντων ήταν η μέθοδος τοπικής στερέωσης του δυναμικού της μεμβράνης ("Patch Clamp"), που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του '80 (Εικ. 10).

Ρύζι. 10. Μέθοδος τοπικής στερέωσης δυναμικού μεμβράνης. ME - μικροηλεκτρόδιο, IR - κανάλι ιόντων, M - κυτταρική μεμβράνη, SFP - κύκλωμα σφιγκτήρα δυναμικού, I - ρεύμα μονού καναλιού

Η ουσία της μεθόδου είναι ότι το μικροηλεκτρόδιο ME (Εικ. 10), με λεπτό άκρο διαμέτρου 0,5-1 μm, αναρροφάται στη μεμβράνη έτσι ώστε το κανάλι ιόντων να εισέλθει στην εσωτερική του διάμετρο. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα σφιγκτήρα δυναμικού, είναι δυνατό να μετρηθούν τα ρεύματα που διέρχονται μόνο από ένα μόνο κανάλι της μεμβράνης και όχι από όλα τα κανάλια ταυτόχρονα, όπως συμβαίνει όταν χρησιμοποιείται η τυπική μέθοδος σύσφιξης δυναμικού.

Τα αποτελέσματα πειραμάτων που έγιναν σε διάφορους διαύλους ιόντων έδειξαν ότι η αγωγιμότητα ενός διαύλου ιόντων είναι διακριτή και μπορεί να είναι σε δύο καταστάσεις: ανοιχτή ή κλειστή. Οι μεταβάσεις μεταξύ των κρατών συμβαίνουν σε τυχαίους χρόνους και υπακούουν στους στατιστικούς νόμους. Δεν μπορεί να ειπωθεί ότι ένα δεδομένο κανάλι ιόντων θα ανοίξει ακριβώς αυτή τη στιγμή. Μπορείτε να κάνετε μια δήλωση σχετικά με την πιθανότητα να ανοίξετε ένα κανάλι σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα.

4. Εξάρτηση των παραμέτρων του καναλιού από το δυναμικό της μεμβράνης. Τα κανάλια ιόντων των νευρικών ινών είναι ευαίσθητα στο δυναμικό της μεμβράνης, όπως τα κανάλια νατρίου και καλίου του νευράξονα του καλαμαριού. Αυτό εκδηλώνεται στο γεγονός ότι μετά την έναρξη της αποπόλωσης της μεμβράνης, τα αντίστοιχα ρεύματα αρχίζουν να αλλάζουν με τη μία ή την άλλη κινητική. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει ως εξής: Το επιλεκτικό κανάλι ιόντων έχει έναν αισθητήρα - κάποιο στοιχείο του σχεδιασμού του που είναι ευαίσθητο στη δράση του ηλεκτρικού πεδίου (Εικ. 11). Όταν το δυναμικό της μεμβράνης αλλάζει, το μέγεθος της δύναμης που ασκεί σε αυτό αλλάζει, με αποτέλεσμα αυτό το τμήμα του καναλιού ιόντων να μετακινείται και να αλλάζει την πιθανότητα ανοίγματος ή κλεισίματος της πύλης - ένα είδος αποσβεστήρα που λειτουργεί σύμφωνα με το "όλα ή τίποτα» νόμος. Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι υπό την επίδραση της αποπόλωσης της μεμβράνης, η πιθανότητα μετάβασης του καναλιού νατρίου στην αγώγιμη κατάσταση αυξάνεται. Το κύμα τάσης στη μεμβράνη που δημιουργείται κατά τις μετρήσεις δυναμικού σφιγκτήρα προκαλεί το άνοιγμα μεγάλου αριθμού καναλιών. Περισσότερα φορτία διέρχονται από αυτά, πράγμα που σημαίνει, κατά μέσο όρο, περισσότερες ροές ρεύματος. Είναι σημαντικό η διαδικασία αύξησης της αγωγιμότητας του καναλιού να καθορίζεται από την αύξηση της πιθανότητας μετάβασης του καναλιού σε ανοιχτή κατάσταση και όχι από την αύξηση της διαμέτρου του ανοιχτού καναλιού. Αυτή είναι η σύγχρονη κατανόηση του μηχανισμού διέλευσης ρεύματος από ένα μόνο κανάλι.

Ομαλές κινητικές καμπύλες των ρευμάτων που καταγράφονται κατά τη διάρκεια ηλεκτρικών μετρήσεων σε μεγάλες μεμβράνες λαμβάνονται λόγω του αθροίσματος πολλών σταδιακών ρευμάτων που ρέουν μέσω μεμονωμένων καναλιών. Η άθροισή τους, όπως φαίνεται παραπάνω, μειώνει απότομα τις διακυμάνσεις και δίνει αρκετά ομαλές χρονικές εξαρτήσεις του διαμεμβρανικού ρεύματος.

Τα κανάλια ιόντων μπορεί επίσης να είναι ευαίσθητα σε άλλες φυσικές επιδράσεις: μηχανική παραμόρφωση, δέσμευση χημικών ουσιών κ.λπ. Στην περίπτωση αυτή αποτελούν τη δομική βάση, αντίστοιχα, των μηχανοϋποδοχέων, των χημειοϋποδοχέων κ.λπ.

Η μελέτη των διαύλων ιόντων στις μεμβράνες είναι ένα από τα σημαντικά καθήκοντα της σύγχρονης βιοφυσικής.

Δομή του διαύλου ιόντων.

Το επιλεκτικό κανάλι ιόντων αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη (Εικ. 11): βυθισμένο στη διπλή στιβάδα του τμήματος πρωτεΐνης, το οποίο έχει δομή υπομονάδας. ένα επιλεκτικό φίλτρο που σχηματίζεται από αρνητικά φορτισμένα άτομα οξυγόνου, τα οποία βρίσκονται άκαμπτα σε μια ορισμένη απόσταση μεταξύ τους και επιτρέπουν τη διέλευση ιόντων ορισμένης διαμέτρου· τμήμα πύλης.

Η πύλη του διαύλου ιόντων ελέγχεται από το δυναμικό της μεμβράνης και μπορεί να είναι είτε σε κλειστή κατάσταση (διακεκομμένη γραμμή) είτε σε ανοιχτή κατάσταση (συμπαγής γραμμή). Η κανονική θέση της πύλης του καναλιού νατρίου είναι κλειστή. Υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, η πιθανότητα ανοιχτής κατάστασης αυξάνεται, η πύλη ανοίγει και η ροή των ενυδατωμένων ιόντων μπορεί να περάσει μέσα από το επιλεκτικό φίλτρο.

Εάν το ιόν ταιριάζει σε διάμετρο, αποβάλλει το κέλυφος ενυδάτωσης του και πηδά στην άλλη πλευρά του διαύλου ιόντων. Εάν το ιόν είναι πολύ μεγάλο σε διάμετρο, όπως το τετρααιθυλαμμώνιο, δεν μπορεί να χωρέσει μέσα από το φίλτρο και δεν μπορεί να διασχίσει τη μεμβράνη. Αν, αντίθετα, το ιόν είναι πολύ μικρό, τότε έχει δυσκολίες στο επιλεκτικό φίλτρο, που αυτή τη φορά σχετίζεται με τη δυσκολία αποβολής του κελύφους ενυδάτωσης του ιόντος.

Οι αναστολείς διαύλων ιόντων είτε δεν μπορούν να περάσουν μέσα από αυτό, κολλώντας στο φίλτρο, είτε, αν είναι μεγάλα μόρια όπως το TTX, ταιριάζουν στερικά με κάποια είσοδο στο κανάλι. Εφόσον οι αναστολείς φέρουν θετικό φορτίο, το φορτισμένο μέρος τους έλκεται στο κανάλι προς το επιλεκτικό φίλτρο ως συνηθισμένο κατιόν και το μακρομόριο το φράζει.

Έτσι, οι αλλαγές στις ηλεκτρικές ιδιότητες των διεγέρσιμων βιομεμβρανών πραγματοποιούνται με τη χρήση διαύλων ιόντων. Αυτά είναι μακρομόρια πρωτεΐνης που διεισδύουν στη λιπιδική διπλοστοιβάδα και μπορούν να υπάρχουν σε διάφορες διακριτές καταστάσεις. Οι ιδιότητες των διαύλων επιλεκτικών για ιόντα K +, Na + και Ca 2+ μπορεί να εξαρτώνται διαφορετικά από το δυναμικό της μεμβράνης, το οποίο καθορίζει τη δυναμική του δυναμικού δράσης στη μεμβράνη, καθώς και τις διαφορές σε αυτά τα δυναμικά στις μεμβράνες διαφορετικών κυττάρων .

Ρύζι. 11. Διάγραμμα διατομής της δομής του διαύλου ιόντων νατρίου της μεμβράνης

Ανατροφοδότηση.

Για διάφορες ουσίες και, ειδικότερα, για τα ορυκτά ιόντα, είναι εξαιρετικά σημαντικό στη ζωή του κυττάρου και ιδιαίτερα στους μηχανισμούς αντίληψης, μετασχηματισμού, μετάδοσης σημάτων από κύτταρο σε κύτταρο και σε ενδοκυτταρικές δομές.

Καθοριστικό ρόλο στην κατάσταση της διαπερατότητας της κυτταρικής μεμβράνης παίζουν τα κανάλια ιόντων τους, τα οποία σχηματίζονται πρωτεΐνες που σχηματίζουν κανάλι. Το άνοιγμα και το κλείσιμο αυτών των καναλιών μπορεί να ελεγχθεί από το μέγεθος της διαφοράς δυναμικού μεταξύ της εξωτερικής και εσωτερικής επιφάνειας της μεμβράνης, μια ποικιλία μορίων σηματοδότησης (ορμόνες, νευροδιαβιβαστές, αγγειοδραστικές ουσίες), δευτερογενείς αγγελιοφόρους ενδοκυτταρικής μετάδοσης σήματος και ορυκτών ιόντων.

Κανάλι ιόντων- αρκετές υπομονάδες (ενσωματωμένες πρωτεΐνες μεμβράνης που περιέχουν διαμεμβρανικά τμήματα, καθένα από τα οποία έχει α-ελικοειδή διαμόρφωση) που εξασφαλίζουν τη μεταφορά ιόντων κατά μήκος της μεμβράνης.

Ρύζι. 1. Ταξινόμηση διαύλων ιόντων

Η σύγχρονη κατανόηση της δομής και της λειτουργίας των διαύλων ιόντων κατέστη δυνατή χάρη στην ανάπτυξη μεθόδων για την καταγραφή ηλεκτρικών ρευμάτων που ρέουν μέσω ενός απομονωμένου τμήματος της μεμβράνης που περιέχει μεμονωμένα κανάλια ιόντων, καθώς και μέσω της απομόνωσης και της κλωνοποίησης μεμονωμένων γονιδίων που ελέγχουν το σύνθεση πρωτεϊνικών μακρομορίων ικανών να σχηματίζουν διαύλους ιόντων. Αυτό κατέστησε δυνατή την τεχνητή τροποποίηση της δομής τέτοιων μορίων, την ενσωμάτωσή τους σε κυτταρικές μεμβράνες και τη μελέτη του ρόλου μεμονωμένων πεπτιδικών περιοχών στην εκτέλεση λειτουργιών καναλιού. Αποδείχθηκε ότι τα μόρια πρωτεΐνης που σχηματίζουν κανάλι όλων των διαύλων ιόντων έχουν κάποια κοινά δομικά χαρακτηριστικά και συνήθως αντιπροσωπεύονται από μεγάλες διαμεμβρανικές πρωτεΐνες με μοριακές μάζες άνω των 250 kDa.

Αποτελούνται από πολλές υπομονάδες. Συνήθως το πιο σημαντικό ιδιότητες καναλιούδικα τους α-υπομονάδα. Αυτή η υπομονάδα συμμετέχει στον σχηματισμό της ιοντοεκλεκτικής οπής, του μηχανισμού αισθητήρα της διαφοράς δυναμικού διαμεμβράνης - της πύλης του καναλιού, και έχει θέσεις δέσμευσης για εξωγενείς και ενδογενείς συνδέτες. Άλλες υπομονάδες που περιλαμβάνονται στη δομή των καναλιών ιόντων παίζουν βοηθητικό ρόλο, διαμορφώνοντας τις ιδιότητες των καναλιών (Εικ. 2).

Το μόριο πρωτεΐνης σχηματισμού καναλιών αντιπροσωπεύεται από βρόχους αμινοξέων εξωμεμβρανών και περιοχές ελικοειδής περιοχής ενδομεμβράνης που σχηματίζουν τις υπομονάδες των διαύλων ιόντων. Το μόριο πρωτεΐνης διπλώνει στο επίπεδο της μεμβράνης έτσι ώστε το ίδιο το κανάλι ιόντων να σχηματίζεται μεταξύ των περιοχών που έρχονται σε επαφή μεταξύ τους (βλ. Εικ. 2, κάτω δεξιά).

Το μόριο πρωτεΐνης σχηματισμού καναλιού βρίσκεται στην κυτταροπλασματική μεμβράνη έτσι ώστε η τρισδιάστατη χωρική του δομή να σχηματίζει τα στόμια του καναλιού που βλέπει προς την εξωτερική και την εσωτερική πλευρά της μεμβράνης, έναν πόρο γεμάτο με νερό και μια «πύλη». Τα τελευταία σχηματίζονται από ένα τμήμα της πεπτιδικής αλυσίδας που μπορεί εύκολα να αλλάξει τη διαμόρφωσή της και να καθορίσει την ανοικτή ή κλειστή κατάσταση του καναλιού. Η επιλεκτικότητα και η διαπερατότητα του διαύλου ιόντων εξαρτώνται από το μέγεθος του πόρου και το φορτίο του. Η διαπερατότητα ενός καναλιού για ένα δεδομένο ιόν καθορίζεται επίσης από το μέγεθος, το φορτίο και το κέλυφος ενυδάτωσης του.

Ρύζι. 2. Δομή του διαύλου ιόντων Na+ της κυτταρικής μεμβράνης: α - δισδιάστατη δομή της μονάδας α του διαύλου ιόντων της κυτταρικής μεμβράνης. β - στα αριστερά - ένα κανάλι νατρίου, που αποτελείται από μια υπομονάδα α και δύο υπομονάδες P (πλάγια όψη). στα δεξιά είναι το κανάλι νατρίου από πάνω. Στους αριθμούς I. II. III. IV σημειωμένα πεδία της α-υπομονάδας

Τύποι καναλιών ιόντων

Έχουν περιγραφεί περισσότεροι από 100 τύποι διαύλων ιόντων και χρησιμοποιούνται διάφορες προσεγγίσεις για την ταξινόμηση τους. Ένα από αυτά βασίζεται στη συνεκτίμηση διαφορών στη δομή των καναλιών και στους μηχανισμούς λειτουργίας. Σε αυτή την περίπτωση, τα κανάλια ιόντων μπορούν να χωριστούν σε διάφορους τύπους:

• κανάλια παθητικών ιόντων ή κανάλια ηρεμίας.
• κανάλια επαφής κουλοχέρη.
• καναλιών, η κατάσταση των οποίων (ανοιχτό ή κλειστό) ελέγχεται από την επίδραση στον μηχανισμό της πύλης τους μηχανικών παραγόντων (μηχανοευαίσθητα κανάλια), διαφορών δυναμικού στη μεμβράνη (κανάλια που εξαρτώνται από την τάση) ή συνδέτες που συνδέονται με την πρωτεΐνη σχηματισμού καναλιού στο την εξωτερική ή την εσωτερική πλευρά της μεμβράνης (κανάλια με πύλη συνδέτη).

Παθητικά κανάλια

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτών των καναλιών είναι ότι μπορούν να είναι ανοιχτά (ενεργά) σε κελιά ηρεμίας, δηλ. ελλείψει οποιασδήποτε επιρροής. Αυτό προκαθορίζει το δεύτερο όνομά τους - παθητικά κανάλια. Δεν είναι αυστηρά εκλεκτικά και μέσω αυτών η κυτταρική μεμβράνη μπορεί να «διαρρεύσει» αρκετά ιόντα, για παράδειγμα K+ και CI+ K+ και Na+. Επομένως, αυτά τα κανάλια ονομάζονται μερικές φορές κανάλια διαρροής. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων, τα κανάλια ηρεμίας παίζουν σημαντικό ρόλο στην εμφάνιση και τη διατήρηση του δυναμικού ηρεμίας της μεμβράνης στην κυτταροπλασματική μεμβράνη ενός κυττάρου, οι μηχανισμοί και η σημασία του οποίου συζητούνται παρακάτω. Παθητικοί δίαυλοι υπάρχουν στις κυτταροπλασματικές μεμβράνες των νευρικών ινών και στις απολήξεις τους, στα γραμμωτά κύτταρα, στους λείους μύες, στο μυοκάρδιο και σε άλλους ιστούς.

Μηχανοευαίσθητα κανάλια

Η κατάσταση διαπερατότητας αυτών των καναλιών αλλάζει υπό μηχανικές επιδράσεις στη μεμβράνη, προκαλώντας διαταραχή της δομικής συσσώρευσης των μορίων στη μεμβράνη και το τέντωμα της. Αυτά τα κανάλια αντιπροσωπεύονται ευρέως στους μηχανοϋποδοχείς των αιμοφόρων αγγείων, των εσωτερικών οργάνων, του δέρματος, των γραμμωτών μυών και των λείων μυοκυττάρων.

Κανάλια που εξαρτώνται από την τάση

Η κατάσταση αυτών των καναλιών ελέγχεται από τις δυνάμεις του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από το μέγεθος της διαφοράς δυναμικού κατά μήκος της μεμβράνης. Τα κανάλια με πύλη τάσης μπορεί να είναι σε ανενεργές (κλειστές), ενεργές (ανοιχτές) και αδρανοποιημένες καταστάσεις, οι οποίες ελέγχονται από τη θέση των πυλών ενεργοποίησης και απενεργοποίησης, ανάλογα με τη διαφορά δυναμικού σε όλη τη μεμβράνη.

Σε μια κυψέλη ηρεμίας, ένα κανάλι με πύλη τάσης είναι συνήθως σε κλειστή κατάσταση, από την οποία μπορεί να ανοίξει ή να ενεργοποιηθεί. Η πιθανότητα ανεξάρτητου ανοίγματός του είναι μικρή και σε ηρεμία μόνο ένας μικρός αριθμός αυτών των καναλιών στη μεμβράνη είναι ανοιχτός. Η μείωση της διαφοράς δυναμικού διαμεμβράνης (αποπόλωση μεμβράνης) προκαλεί ενεργοποίηση του καναλιού, αυξάνοντας την πιθανότητα διάνοιξής του. Υποτίθεται ότι η λειτουργία της πύλης ενεργοποίησης εκτελείται από μια ηλεκτρικά φορτισμένη ομάδα αμινοξέων που κλείνει την είσοδο στο στόμιο του καναλιού. Αυτά τα αμινοξέα είναι ένας αισθητήρας της διαφοράς δυναμικού στη μεμβράνη. όταν επιτευχθεί ένα ορισμένο (κρίσιμο) επίπεδο αποπόλωσης της μεμβράνης, το φορτισμένο τμήμα του μορίου του αισθητήρα μετατοπίζεται προς το λιπιδικό μικροπεριβάλλον του μορίου που σχηματίζει κανάλι και η πύλη ανοίγει την είσοδο στο στόμιο του καναλιού (Εικ. 3).

Το κανάλι γίνεται ανοιχτό (ενεργό) για να κινηθούν τα ιόντα μέσα από αυτό. Η ταχύτητα ανοίγματος της πύλης ενεργοποίησης μπορεί να είναι χαμηλή ή πολύ υψηλή. Σύμφωνα με αυτόν τον δείκτη, τα κανάλια ιόντων με πύλη τάσης χωρίζονται σε γρήγορα (για παράδειγμα, γρήγορα κανάλια νατρίου με πύλη τάσης) και σε αργά (για παράδειγμα, κανάλια ασβεστίου με χαμηλή τάση). Τα γρήγορα κανάλια ανοίγουν αμέσως (μs) και παραμένουν ανοιχτά κατά μέσο όρο 1 ms. Η ενεργοποίησή τους συνοδεύεται από ταχεία αύξηση της διαπερατότητας του καναλιού για ορισμένα ιόντα σαν χιονοστιβάδα.

Ένα άλλο τμήμα της πεπτιδικής αλυσίδας, που είναι μια αλληλουχία αμινοξέων με τη μορφή μιας πυκνής μπάλας (μπάλας) σε ένα νήμα, που βρίσκεται στην έξοδο του άλλου στομίου του καναλιού, έχει την ικανότητα να αλλάξει τη διαμόρφωσή του. Όταν το σημάδι του φορτίου στη μεμβράνη αλλάζει, η μπάλα κλείνει την έξοδο από το στόμα και το κανάλι γίνεται αδιαπέραστο (αδρανοποιημένο) για το ιόν. Η απενεργοποίηση των διαύλων ιόντων με πύλη τάσης μπορεί να επιτευχθεί μέσω άλλων μηχανισμών. Η αδρανοποίηση συνοδεύεται από τη διακοπή της κίνησης των ιόντων μέσω του καναλιού και μπορεί να συμβεί τόσο γρήγορα όσο η ενεργοποίηση ή αργά - σε διάστημα δευτερολέπτων ή και λεπτών.

Ρύζι. 3. Μηχανισμός πύλης καναλιών νατρίου (πάνω) και καλίου (κάτω) με πύλη τάσης

Για να αποκατασταθούν οι αρχικές ιδιότητες των διαύλων ιόντων μετά την αδρανοποίησή τους, είναι απαραίτητο να επιστρέψετε την αρχική χωρική διαμόρφωση της πρωτεΐνης σχηματισμού καναλιών και τη θέση της πύλης. Αυτό επιτυγχάνεται με την αποκατάσταση της διαφοράς δυναμικού της μεμβράνης (επαναπόλωση) σε επίπεδο χαρακτηριστικό της κατάστασης ηρεμίας του κυττάρου ή κάποιο χρονικό διάστημα μετά την αδρανοποίηση με ισχυρή επίδραση στη μεμβράνη. Η μετάβαση από την κατάσταση αδρανοποίησης στην αρχική (κλειστή) κατάσταση ονομάζεται επανενεργοποίηση καναλιού. Μόλις επανενεργοποιηθεί, το κανάλι ιόντων επιστρέφει σε κατάσταση ετοιμότητας για το εκ νέου άνοιγμα του. Η επανενεργοποίηση των καναλιών μεμβράνης με πύλη τάσης μπορεί επίσης να είναι γρήγορη ή αργή.

Τα κανάλια ιόντων με πύλη τάσης είναι συνήθως εξαιρετικά επιλεκτικά και παίζουν κρίσιμο ρόλο στην εμφάνιση διέγερσης (δημιουργία δυναμικών δράσης), στη μετάδοση πληροφοριών κατά μήκος των νευρικών ινών με τη μορφή ηλεκτρικών σημάτων και στην έναρξη και ρύθμιση της μυϊκής συστολής. Αυτά τα κανάλια αντιπροσωπεύονται ευρέως στις μεμβράνες των προσαγωγών και απαγωγών νευρικών ινών, στις μεμβράνες των γραμμωτών και λείων μυοκυττάρων.

Δυνητικά εξαρτώμενα κανάλια ιόντων είναι ενσωματωμένα στη μεμβράνη των νευρικών απολήξεων των αισθητήριων νεύρων (δενδρίτες) που νευρώνουν τον οδοντικό πολφό και τον στοματικό βλεννογόνο, όπου το άνοιγμά τους εξασφαλίζει τη μετατροπή του δυναμικού του υποδοχέα σε νευρική ώθηση και την επακόλουθη μετάδοσή του κατά μήκος του προσαγωγού νεύρου ίνα. Με τη βοήθεια αυτών των παρορμήσεων, πληροφορίες για όλους τους τύπους αισθητηριακών αισθήσεων που βιώνει ένα άτομο στη στοματική κοιλότητα (γεύση, θερμοκρασία, μηχανική πίεση, πόνος) μεταδίδονται στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Τέτοια κανάλια εξασφαλίζουν την εμφάνιση νευρικών ερεθισμάτων στη μεμβράνη του λοφίσκου νευρώνων του άξονα και τη μετάδοσή τους κατά μήκος των απαγωγών νευρικών ινών, τη μετατροπή των μετασυναπτικών δυναμικών σε δυναμικά δράσης των μετασυναπτικών τελεστών κυττάρων. Ένα παράδειγμα τέτοιων διεργασιών είναι η δημιουργία νευρικών ερεθισμάτων σε κινητικούς νευρώνες του πυρήνα του τριδύμου νεύρου, τα οποία στη συνέχεια μεταδίδονται κατά μήκος των απαγωγών ινών του στους μασητικούς μύες και παρέχουν την έναρξη και ρύθμιση των κινήσεων μάσησης της κάτω γνάθου.

Κατά τη μελέτη των λεπτών μηχανισμών της λειτουργίας των διαύλων ιόντων με πύλη τάσης, αποκαλύφθηκε ότι υπάρχουν ουσίες που μπορούν να εμποδίσουν τη λειτουργία αυτών των καναλιών. Ένα από τα πρώτα από αυτά που περιγράφηκαν ήταν η ουσία tetrodotoxin, ένα ισχυρό δηλητήριο που παράγεται στο σώμα των ψαριών φουσκωτών. Υπό την επιρροή του, στο πείραμα παρατηρήθηκε αποκλεισμός των διαύλων νατρίου που καλύπτονται από τάση και όταν εισήχθη στο σώμα των ζώων, σημειώθηκε απώλεια ευαισθησίας, μυϊκή χαλάρωση, ακινησία, αναπνευστική ανακοπή και θάνατος. Τέτοιες ουσίες ονομάζονται αναστολείς διαύλων ιόντων. Ανάμεσα τους λιδοκαΐνη, νοβοκαΐνη, προκαΐνη -ουσίες, όταν εισάγονται στο σώμα σε μικρές δόσεις, αναπτύσσεται αποκλεισμός των εξαρτώμενων από την τάση καναλιών νατρίου των νευρικών ινών και εμποδίζεται η μετάδοση σημάτων από τους υποδοχείς πόνου στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Αυτές οι ουσίες χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική πρακτική ως τοπικά αναισθητικά.

Η κίνηση των ιόντων μέσω των διαύλων ιόντων δεν είναι μόνο η βάση για την ανακατανομή των φορτίων στις μεμβράνες και το σχηματισμό ηλεκτρικών δυναμικών, αλλά μπορεί επίσης να επηρεάσει την πορεία πολλών ενδοκυτταρικών διεργασιών. Αυτή η επίδραση στην έκφραση των γονιδίων που ελέγχουν τη σύνθεση των πρωτεϊνών που σχηματίζουν κανάλι δεν περιορίζεται μόνο στα κύτταρα των διεγέρσιμων ιστών, αλλά εμφανίζεται σε όλα τα κύτταρα του σώματος. Έχει εντοπιστεί μια μεγάλη ομάδα ασθενειών, η αιτία της οποίας είναι η παραβίαση της δομής και της λειτουργίας των διαύλων ιόντων. Τέτοιες ασθένειες ταξινομούνται ως «καναλοπάθειες». Προφανώς, η γνώση της δομής και των λειτουργιών των διαύλων ιόντων είναι απαραίτητη για την κατανόηση της φύσης των «καναλοπαθειών» και την αναζήτηση της συγκεκριμένης θεραπείας τους.

Κανάλια ιόντων με πύλη προσδέματος

Συνήθως σχηματίζονται από μακρομόρια πρωτεΐνης που μπορούν ταυτόχρονα να χρησιμεύσουν ως δίαυλοι ιόντων και λειτουργίες υποδοχέα για ορισμένους συνδέτες. Δεδομένου ότι το ίδιο μακρομόριο μπορεί να εκτελέσει ταυτόχρονα αυτές τις δύο λειτουργίες, έχουν αποδοθεί διαφορετικά ονόματα - για παράδειγμα, συναπτικός υποδοχέας ή κανάλι με πύλη συνδέτη.

Σε αντίθεση με ένα κανάλι ιόντων που εξαρτάται από την τάση, το οποίο ανοίγει όταν η διαμόρφωση της πύλης ενεργοποίησης αλλάζει υπό συνθήκες μείωσης της διαφοράς δυναμικού διαμεμβράνης, τα κανάλια ιόντων που εξαρτώνται από συνδέτη ανοίγουν (ενεργοποιούνται) κατά την αλληλεπίδραση της αλυσίδας πεπτιδίου (υποδοχέα) μιας πρωτεΐνης μόριο με ένα πρόσδεμα, μια ουσία για την οποία ο υποδοχέας έχει υψηλή συγγένεια (Εικ. 4).

Ρύζι. 4. Δίαυλος ιόντων που εξαρτάται από συνδέτη (ευαίσθητος στη νικοτίνη υποδοχέας ακετυλοχολίνης - n-ChR): ένα ανενεργό; 6 - ενεργοποιημένο

Οι δίαυλοι ιόντων που καλύπτονται από συνδέτη εντοπίζονται συνήθως στις μετασυναπτικές μεμβράνες των νευρικών κυττάρων και στις διεργασίες τους, καθώς και στις μυϊκές ίνες. Τυπικά παραδείγματα διαύλων ιόντων με πύλη συνδέτη είναι κανάλια μετασυναπτικής μεμβράνης που ενεργοποιούνται από ακετυλοχολίνη (βλ. Εικ. 4), γλουταμικό, ασπαρτικό, γάμμα-αμινοβουτυρικό οξύ, γλυκίνη και άλλους συναπτικούς νευροδιαβιβαστές. Τυπικά, το όνομα του καναλιού (υποδοχέας) αντανακλά τον τύπο του νευροδιαβιβαστή που είναι ο συνδέτης του υπό φυσικές συνθήκες. Έτσι, εάν πρόκειται για κανάλια της νευρομυϊκής σύναψης στα οποία χρησιμοποιείται ο νευροδιαβιβαστής ακετυλοχολίνη, τότε χρησιμοποιείται ο όρος «υποδοχέας ακετυλοχολίνης» και εάν είναι επίσης ευαίσθητος στη νικοτίνη, τότε ονομάζεται ευαίσθητος στη νικοτίνη ή απλά ν-ακετυλοχολίνη. υποδοχέας (n-cholinergic receptor).

Τυπικά, οι μετασυναπτικοί υποδοχείς (κανάλια) συνδέονται επιλεκτικά σε έναν μόνο τύπο νευροδιαβιβαστή. Ανάλογα με τον τύπο και τις ιδιότητες του αλληλεπιδρώντος υποδοχέα και του νευροδιαβιβαστή, τα κανάλια αλλάζουν επιλεκτικά τη διαπερατότητά τους σε μεταλλικά ιόντα, αλλά δεν είναι αυστηρά επιλεκτικά κανάλια. Για παράδειγμα, τα κανάλια με πύλη συνδέτη μπορούν να αλλάξουν τη διαπερατότητα σε κατιόντα Na+ και K+ ή σε ανιόντα K+ και CI+. Αυτή η επιλεκτικότητα της δέσμευσης συνδέτη και οι αλλαγές στην ιοντική διαπερατότητα είναι γενετικά καθορισμένη στη χωρική δομή του μακρομορίου.

Εάν η αλληλεπίδραση του μεσολαβητή και του τμήματος υποδοχέα του μακρομορίου που σχηματίζει το κανάλι ιόντων συνοδεύεται άμεσα από μια αλλαγή στη διαπερατότητα του καναλιού, τότε μέσα σε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου αυτό οδηγεί σε αλλαγή στη διαπερατότητα της μετασυναπτικής μεμβράνης για ορυκτά ιόντων και την τιμή του μετασυναπτικού δυναμικού. Τέτοια κανάλια ονομάζονται γρήγορα και εντοπίζονται, για παράδειγμα, στη μετασυναπτική μεμβράνη των αξοδενδριτικών διεγερτικών συνάψεων και των αξοσωματικών ανασταλτικών συνάψεων.

Υπάρχουν αργοί δίαυλοι ιόντων με πύλη συνδέτη. Σε αντίθεση με τα γρήγορα κανάλια, το άνοιγμά τους δεν προκαλείται από την άμεση αλληλεπίδραση του νευροδιαβιβαστή με το μακρομόριο του υποδοχέα, αλλά από μια αλυσίδα γεγονότων που περιλαμβάνουν την ενεργοποίηση της πρωτεΐνης G, την αλληλεπίδρασή της με το GTP, την αύξηση του επιπέδου των δευτερογενών αγγελιοφόρων στην ενδοκυτταρική μετάδοση. του σήματος του νευροδιαβιβαστή, το οποίο, με τη φωσφορυλίωση του διαύλου ιόντων, οδηγεί σε αλλαγή της διαπερατότητάς του για ορυκτά ιόντα και αντίστοιχη αλλαγή στην τιμή του μετασυναπτικού δυναμικού. Ολόκληρη η περιγραφόμενη αλυσίδα γεγονότων λαμβάνει χώρα μέσα σε εκατοντάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου. Τέτοια αργά εξαρτώμενα από συνδέτη διαύλους ιόντων θα συναντήσουμε κατά τη μελέτη των μηχανισμών ρύθμισης της καρδιάς και των λείων μυών.

Ένας ειδικός τύπος είναι τα κανάλια που εντοπίζονται στις μεμβράνες του ενδοπλασματικού δικτύου των λείων μυϊκών κυττάρων. Ο συνδέτης τους είναι ο δεύτερος αγγελιοφόρος της ενδοκυτταρικής μεταγωγής σήματος, η τριφωσφορική ινοσιτόλη-IFZ.

Περιγράφονται οι δίαυλοι ιόντων που χαρακτηρίζονται από ορισμένες δομικές και λειτουργικές ιδιότητες που είναι εγγενείς τόσο στους αγωγούς ιόντων με πύλη τάσης όσο και στους δεσμευτές. Είναι δίαυλοι ιόντων που δεν είναι ευαίσθητοι στην τάση, η κατάσταση του μηχανισμού πύλης των οποίων ελέγχεται από κυκλικά νουκλεοτίδια (cAMP και cGMP). Σε αυτή την περίπτωση, τα κυκλικά νουκλεοτίδια συνδέονται στο ενδοκυτταρικό τερματικό COOH του μορίου πρωτεΐνης που σχηματίζει κανάλι και ενεργοποιούν το κανάλι.

Αυτά τα κανάλια χαρακτηρίζονται από μικρότερη επιλεκτικότητα διαπερατότητας για κατιόντα και από την ικανότητα των τελευταίων να επηρεάζουν το ένα τη διαπερατότητα του άλλου. Έτσι, τα ιόντα Ca2+, εισερχόμενα μέσω ενεργοποιημένων καναλιών από το εξωκυτταρικό περιβάλλον, μπλοκάρουν τη διαπερατότητα των καναλιών για ιόντα Na2+. Ένα παράδειγμα τέτοιων καναλιών είναι οι δίαυλοι ιόντων ράβδου του αμφιβληστροειδούς, η διαπερατότητα των οποίων στα ιόντα Ca2+ και Na2+ καθορίζεται από το επίπεδο της cGMP.

Οι δίαυλοι ιόντων με πύλη συνδέτη αντιπροσωπεύονται ευρέως σε δομές μεμβράνης που παρέχουν συναπτική μετάδοση σημάτων από έναν αριθμό αισθητηρίων υποδοχέων στο κεντρικό νευρικό σύστημα. μετάδοση σημάτων στις συνάψεις του νευρικού συστήματος. μετάδοση σημάτων του νευρικού συστήματος στα τελεστικά κύτταρα.

Έχει ήδη σημειωθεί ότι η άμεση μετάδοση εντολών από το νευρικό σύστημα σε πολλά τελεστικά όργανα πραγματοποιείται με τη βοήθεια νευροδιαβιβαστών που ενεργοποιούν διαύλους ιόντων που καλύπτονται από συνδέτη στις μετασυναπτικές μεμβράνες. Ωστόσο, οι συνδέτες τους (αγωνιστές ή ανταγωνιστές) μπορεί να είναι και ουσίες εξωγενούς φύσης, οι οποίες σε ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται ως φαρμακευτικές ουσίες.

Για παράδειγμα, μετά την εισαγωγή της ουσίας diplacin στο σώμα, η οποία είναι παρόμοια στη δομή με τον νευροδιαβιβαστή απετυλοχολίνη, θα υπάρξει παρατεταμένο άνοιγμα των εξαρτώμενων από συνδέτη καναλιών ιόντων στις νευρομυϊκές συνάψεις, οι οποίες σταματούν τη μετάδοση των νευρικών ερεθισμάτων από τις νευρικές ίνες στους μύες. . Εμφανίζεται χαλάρωση των σκελετικών μυών του σώματος, η οποία μπορεί να είναι απαραίτητη κατά τη διάρκεια πολύπλοκων χειρουργικών επεμβάσεων. Η διπλακίνη και άλλες ουσίες που μπορούν να αλλάξουν την κατάσταση των διαύλων ιόντων που καλύπτονται από συνδέτη και να εμποδίσουν τη μετάδοση σήματος στις νευρομυϊκές συνάψεις ονομάζονται μυοχαλαρωτικά.

Ρύζι. 5. Διαχωρίστε τα κανάλια σύνδεσης μεταξύ δύο κυψελών που έρχονται σε στενή επαφή

Στην ιατρική πρακτική, χρησιμοποιούνται πολλές άλλες φαρμακευτικές ουσίες που επηρεάζουν την κατάσταση των διαύλων ιόντων που εξαρτώνται από συνδέτη κυττάρων διαφόρων ιστών.

Κανάλια διασταύρωσης κενού κυψέλης

Τα κανάλια διασταύρωσης κενού σχηματίζονται στην περιοχή επαφής μεταξύ δύο γειτονικών κυψελών που είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Στη μεμβράνη κάθε κυττάρου που έρχεται σε επαφή, έξι υπομονάδες πρωτεΐνης, που ονομάζονται κοννεξίνες, σχηματίζουν μια εξαγωνική δομή, στο κέντρο της οποίας σχηματίζεται ένας δίαυλος πόρων ή ιόντων - ένα σύνδεσμο (Εικ. 5).

Μια δομή καθρέφτη σχηματίζεται στο σημείο επαφής στη μεμβράνη ενός γειτονικού κυττάρου και το κανάλι ιόντων μεταξύ τους γίνεται κοινό. Μέσω τέτοιων διαύλων ιόντων, διάφορα ορυκτά ιόντα, συμπεριλαμβανομένων ιόντων Ca 2+, καθώς και οργανικές ουσίες χαμηλού μοριακού βάρους, μπορούν να μετακινηθούν από κύτταρο σε κύτταρο. Τα κανάλια των κενών συνδέσεων των κυττάρων εξασφαλίζουν τη μεταφορά πληροφοριών μεταξύ των κυττάρων του μυοκαρδίου, των λείων μυών, του αμφιβληστροειδούς και του νευρικού συστήματος.

Κανάλια νατρίου

Τα κανάλια νατρίου που εξαρτώνται από την τάση, ανεξάρτητα από την τάση (εξαρτώμενα από συνδέτη, μηχανοευαίσθητα, παθητικά κ.λπ.) αντιπροσωπεύονται ευρέως στα κύτταρα του σώματος.

Κανάλια νατρίου με πύλη τάσης

Αποτελούνται από μία α-υπομονάδα, η οποία σχηματίζει το κανάλι, και δύο β-υπομονάδες, που ρυθμίζουν τη διαπερατότητα ιόντων και την κινητική αδρανοποίησης των διαύλων νατρίου (Εικ. 6).

Ρύζι. 6. Δισδιάστατη δομή της α-υπομονάδας του διαύλου νατρίου με πύλη τάσης. Περιγραφή στο κείμενο

Όπως φαίνεται από το Σχ. 6, η α-υπομονάδα αντιπροσωπεύεται από τέσσερις περιοχές του ίδιου τύπου, που αποτελούνται από έξι ελικοειδή διαμεμβρανικά τμήματα που συνδέονται με βρόχους αμινοξέων. Οι βρόχοι που συνδέουν το 5ο και το 6ο τμήμα περιβάλλουν τον πόρο του καναλιού και το 4ο τμήμα περιέχει θετικά φορτισμένα αμινοξέα, τα οποία είναι αισθητήρες της διαφοράς δυναμικού στη μεμβράνη και ελέγχουν τη θέση του μηχανισμού πύλης κατά τις μετατοπίσεις του διαμεμβρανικού δυναμικού.

Στα κανάλια νατρίου με πύλη τάσης υπάρχουν δύο μηχανισμοί πύλης, ένας από αυτούς - η ενεργοποίηση (με τη συμμετοχή του 4ου τμήματος) εξασφαλίζει το άνοιγμα (ενεργοποίηση) του καναλιού κατά την εκπόλωση της μεμβράνης και ο δεύτερος (με τη συμμετοχή του ενδοκυτταρικού βρόχου μεταξύ του 3ου και του 4ου τομέα) - η αδρανοποίησή του κατά την επαναφόρτιση της μεμβράνης. Δεδομένου ότι και οι δύο αυτοί μηχανισμοί αλλάζουν γρήγορα τη θέση της πύλης του καναλιού, τα κανάλια νατρίου με πύλη τάσης είναι γρήγορα κανάλια ιόντων και είναι κρίσιμα για τη δημιουργία δυναμικών δράσης σε διεγέρσιμους ιστούς και για την αγωγή τους στις μεμβράνες των νευρικών και μυϊκών ινών.

Αυτοί οι δίαυλοι εντοπίζονται στις κυτταροπλασματικές μεμβράνες του λόφου των νευρώνων, στους δενδρίτες και τους άξονες, στη μεμβράνη της περισυναπτικής περιοχής της νευρομυϊκής σύναψης, στο σαρκόλημμα των ινών των γραμμωτών μυών και του συσταλτικού μυοκαρδίου. Η πυκνότητα κατανομής των καναλιών νατρίου σε αυτές τις δομές είναι διαφορετική. Στις μυελινωμένες νευρικές ίνες συγκεντρώνονται κυρίως στην περιοχή των κόμβων του Ranvier, όπου η πυκνότητά τους φτάνει περίπου τα 10.000 κανάλια ανά τετραγωνικό μικρό της περιοχής και στις μη μυελινωμένες ίνες τα κανάλια είναι πιο ομοιόμορφα κατανεμημένα με πυκνότητα περίπου 20 καναλιών ανά τετραγωνικό. μικρό εμβαδού. Αυτά τα κανάλια πρακτικά απουσιάζουν στη δομή των μεμβρανών του σώματος των νευρικών κυττάρων, στη μεμβράνη των νευρικών απολήξεων που σχηματίζουν άμεσα αισθητικούς υποδοχείς και στις μετασυναπτικές μεμβράνες των τελεστικών κυττάρων.

Μεταξύ των διαύλων νατρίου που καλύπτονται από τάση, διακρίνονται ήδη περισσότεροι από εννέα υποτύποι, που διαφέρουν στις ιδιότητες των α-υπομονάδων, έχουν μια συγκεκριμένη ιστική σύνδεση και διαφέρουν σε διαφορετική ευαισθησία στη δράση των αναστολέων. Για παράδειγμα, ένας υποτύπος διαύλου που σχηματίζεται από πρωτεΐνη σχηματισμού καναλιών, η σύνθεση της οποίας ελέγχεται από το γονίδιο SCN4A, υπάρχει στο σαρκόλημμα των πλήρως διαφοροποιημένων και νευρωμένων σκελετικών μυών και οι αναστολείς του είναι η τετροδοτοξίνη, η σαξιτοξίνη και οι c-κωνοτοξίνες. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι α-υπομονάδες είναι ευαίσθητες στη δράση της τετροδοτοξίνης, η οποία σε μικρογραμμομοριακές συγκεντρώσεις εμποδίζει τους πόρους και ως εκ τούτου την είσοδο στα κανάλια νατρίου.

Οι τοξίνες των διαύλων νατρίου είναι γνωστό ότι επιβραδύνουν τον ρυθμό αδρανοποίησής τους. Για παράδειγμα, η τοξίνη θαλάσσιας ανεμώνης (ATX) και η α-τοξίνη σκορπιού (ScTX) προκαλούν καθυστέρηση στην αδρανοποίηση δεσμεύοντας σε υπολείμματα αμινοξέων του βρόχου S3-S4 του τμήματος 4.

Ουσίες που ονομάζονται αναισθητικά (νοβοκαΐνη, δικαΐνη, λιδοκαΐνη, σοβκαΐνη, προκαΐνηκαι τα λοιπά.). Η αναισθησία όταν μπλοκάρουν τους διαύλους νατρίου επιτυγχάνεται εξαλείφοντας τη δυνατότητα δημιουργίας νευρικών ερεθισμάτων στις προσαγωγές νευρικές ίνες και έτσι εμποδίζοντας τη μετάδοση σημάτων από τους αισθητηριακούς υποδοχείς πόνου στο κεντρικό νευρικό σύστημα.

Έχει ανακαλυφθεί ότι οι αλλαγές στη δομή των καναλιών νατρίου μπορούν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη μιας σειράς ασθενειών. Για παράδειγμα, μια αλλαγή στη δομή του καναλιού που ελέγχεται από το γονίδιο SCNlb οδηγεί στην ανάπτυξη γενικευμένων μορφών επιληψίας και επιληπτικών κρίσεων με αυξημένη θερμοκρασία σώματος (εμπύρετοι σπασμοί).

Πολλοί μικροοργανισμοί σχηματίζουν τοξίνες στο ανθρώπινο σώμα - ουσίες που μπλοκάρουν τα κανάλια ιόντων στα προσβεβλημένα κύτταρα, τα οποία μπορεί να συνοδεύονται από ανισορροπία στην ισορροπία ιόντων και κυτταρικό θάνατο. Άλλοι μικροοργανισμοί, αντίθετα, χρησιμοποιούν τις τοξίνες τους (περφορίνες) για να σχηματίσουν κανάλια ιόντων στην κυτταρική μεμβράνη. Συγκεκριμένα, η τοξίνη του βάκιλου του άνθρακα, που προκαλεί μια ιδιαίτερα επικίνδυνη μόλυνση στον άνθρωπο, επιτίθεται στο κύτταρο και σχηματίζει νέους πόρους (κανάλια) στη μεμβράνη του μέσω των οποίων άλλες τοξίνες διεισδύουν στο κύτταρο. Η δράση αυτών των τοξινών προκαλεί θάνατο των προσβεβλημένων κυττάρων και υψηλή θνησιμότητα σε αυτή την ασθένεια. Οι επιστήμονες έχουν συνθέσει μια ουσία β-κυκλοδεξτρίνη, η οποία είναι κοντά στη χωρική δομή με το σχήμα του καναλιού που προκύπτει. Αυτή η ουσία μπλοκάρει τα κανάλια που σχηματίζονται από την τοξίνη του μικροοργανισμού, εμποδίζει την είσοδο τοξινών στα κύτταρα και σώζει από το θάνατο πειραματόζωα που έχουν μολυνθεί με άνθρακα.

Κανάλια νατρίου ανεξάρτητα από την τάση

Κανάλια νατρίου που καλύπτονται από συνδετήρες.Η γενική δομή και οι ιδιότητές τους συζητούνται παραπάνω στην περιγραφή των διαύλων ιόντων με πύλη συνδέτη. Αυτός ο τύπος καναλιών νατρίου αντιπροσωπεύεται ευρέως στο σώμα από τα κανάλια νατρίου του ευαίσθητου στη νικοτίνη χολινεργικού υποδοχέα της μετασυναπτικής μεμβράνης της νευρομυϊκής σύναψης, των ενδονευρονικών συνάψεων του κεντρικού νευρικού συστήματος και του αυτόνομου νευρικού συστήματος (προγαγγλιακοί και γαγγλιακοί νευρώνες). Τα κανάλια νατρίου που καλύπτονται από συνδέτη εντοπίζονται στις μετασυναπτικές μεμβράνες άλλων διεγερτικών (γλουταμινικών και ασπαρτατεργικών) συνάψεων του κεντρικού νευρικού συστήματος. Παίζουν κρίσιμο ρόλο στη δημιουργία διεγερτικού μετασυναπτικού δυναμικού στις συνάψεις και στη μετάδοση σημάτων μεταξύ νευρώνων και μεταξύ νευρώνων και τελεστικών κυττάρων.

Τα κανάλια νατρίου της μετασυναπτικής μεμβράνης που καλύπτονται από συνδέτη δεν είναι αυστηρά επιλεκτικά και μπορούν να είναι διαπερατά ταυτόχρονα σε πολλά ιόντα: νάτριο και κάλιο, νάτριο και ασβέστιο.

Κανάλια νατρίου ανεξάρτητα από την τάση που περικλείονται από δεύτερους αγγελιοφόρους.Η κατάσταση αυτών των καναλιών νατρίου μπορεί να ελεγχθεί από cGMP (φωτοϋποδοχείς), cAMP (οσφρητικούς υποδοχείς) και από υπομονάδες πρωτεΐνης G (μυοκάρδιο).

Μηχανοευαίσθητα κανάλια νατρίου.Παρουσιάζεται στους μηχανοϋποδοχείς των τοιχωμάτων των αιμοφόρων αγγείων, στην καρδιά, στα κούφια εσωτερικά όργανα, στους ιδιοϋποδοχείς των γραμμωτών μυών και στη μεμβράνη των λείων μυοκυττάρων. Με τη συμμετοχή τους στους αισθητηριακούς υποδοχείς, η ενέργεια της μηχανικής δράσης μετατρέπεται σε ταλάντωση της διαφοράς δυναμικού - το δυναμικό του υποδοχέα.

Παθητικά σχοινιά νατρίου.Περιέχεται στις κυτταροπλασματικές μεμβράνες διεγέρσιμων κυττάρων. Η διαπερατότητα αυτών των καναλιών για τα ιόντα Na+ είναι μικρή, αλλά μέσω αυτών τα ιόντα Na διαχέονται κατά μήκος μιας βαθμίδας συγκέντρωσης από τους εξωκυτταρικούς χώρους στα κύτταρα και αποπολώνουν κάπως τη μεμβράνη. Τα κανάλια νατρίου της κυτταροπλασματικής μεμβράνης των λείων μυοκυττάρων είναι πιο διαπερατά. Το εκπολώνουν σε μεγαλύτερη ποσότητα (δυναμικό ηρεμίας περίπου 50 mV) από τη μεμβράνη των μυοκυττάρων των γραμμωτών μυών (δυναμικό ηρεμίας περίπου 90 mV). Έτσι, παθητικά κανάλια νατρίου εμπλέκονται στο σχηματισμό του δυναμικού ηρεμίας της μεμβράνης.

Εναλλάκτες νατρίου.Ο εναλλάκτης νατρίου-ασβεστίου, ή ο εναλλάκτης νατρίου-ασβεστίου, έχει περιγραφεί προηγουμένως και παίζει σημαντικό ρόλο στην απομάκρυνση ιόντων ασβεστίου από συσταλτικά καρδιομυοκύτταρα.

Εναλλάκτης πρωτονίων νατρίου.Είναι ένας ειδικός τύπος πρωτεΐνης που σχηματίζει κανάλι και αφαιρεί πρωτόνια υδρογόνου από τους ενδοκυτταρικούς χώρους με αντάλλαγμα τα ιόντα νατρίου που εισέρχονται στο κύτταρο. Η απομάκρυνση των πρωτονίων ενεργοποιείται όταν το pH στο κύτταρο μειώνεται.

Η σύνθεση πρωτεϊνών που σχηματίζουν κανάλια ανταλλαγής νατρίου ελέγχεται από πέντε γονίδια, που ονομάζονται NAH1-NAH5.

Κανάλια καλίου

Υπάρχουν κανάλια καλίου με πύλη τάσης και μη ευαίσθητα στην τάση κανάλια. Μεταξύ των τελευταίων, διακρίνονται παθητικά, εξαρτώμενα από συνδέτη και άλλα είδη καναλιών καλίου. Κατά κανόνα, τα κανάλια καλίου βρίσκονται στις μεμβράνες των ίδιων κυττάρων και ιστών που περιέχουν κανάλια νατρίου. Ένας από τους λόγους για έναν τέτοιο παραλληλισμό στη διάταξη αυτών των διαύλων ιόντων είναι ότι τα ιόντα Na+ και K+ είναι τα πιο σημαντικά κατιόντα, η φύση της κατανομής και της κίνησης των οποίων καθορίζει την εμφάνιση και την αλλαγή των ηλεκτρικών δυναμικών ως μία από τις πιο σημαντικές μορφές της μετάδοσης σήματος πληροφοριών στο σώμα.

Υπάρχει μια ολόκληρη υπεροικογένεια καναλιών ιόντων καλίου, τα οποία χωρίζονται ανάλογα με τα δομικά χαρακτηριστικά, τον εντοπισμό και τις ιδιότητες των καναλιών σε ξεχωριστές οικογένειες, τύπους και υποτύπους. Έχουν περιγραφεί πάνω από τρεις δωδεκάδες κανάλια καλίου και δεν είναι δυνατό να δοθούν τα λεπτομερή χαρακτηριστικά τους. Ως εκ τούτου, ως παραδείγματα, θα δοθούν περιγραφές εκείνων των οικογενειών και των τύπων διαύλων ιόντων που σχετίζονται κυρίως με μονοπάτια σηματοδότησης και μηχανισμούς ελέγχου των νευρικών και μυϊκών διεργασιών.

Παθητικά κανάλια καλίου

Είναι γνωστό ότι σε κατάσταση ηρεμίας, οι μεμβράνες των διεγέρσιμων κυττάρων είναι σχετικά διαπερατές από ιόντα Κ και ελάχιστα διαπερατές από ιόντα Na+. Δεδομένου ότι οι φορείς των διαμεμβρανικών ηλεκτρικών ρευμάτων είναι ιόντα, μετρώντας το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει την κυτταρική μεμβράνη, μπορεί κανείς να κρίνει την κατάσταση των καναλιών ιόντων. Αποδείχθηκε ότι το διαμεμβρανικό ηλεκτρικό ρεύμα, που προκαλείται από τη διάχυση ιόντων Κ κατά μήκος της βαθμίδας συγκέντρωσης από το στοιχείο, είναι περίπου δύο πικοαμπέρ και έχει παλμικό χαρακτήρα και η μέση διάρκεια του παλμού είναι αρκετά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Από αυτή την παρατήρηση, συνήχθη το συμπέρασμα ότι τα κανάλια καλίου σε ένα κύτταρο ηρεμίας μπορούν να ανοίγουν και να κλείνουν αυθόρμητα, παρέχοντας συνθήκες για τη διάχυση ιόντων Κ μέσω αυτών από το κύτταρο και το σχηματισμό ενός δυναμικού ηρεμίας στη μεμβράνη.

Κανάλια καλίου με πύλη τάσης

Η ύπαρξη διαύλων καλίου με πύλη τάσης στις κυτταρικές μεμβράνες διεγέρσιμων ιστών έγινε γνωστή αφού διαπιστώθηκε ότι η κινητική ενεργοποίησής τους διαφέρει από αυτή των διαύλων νατρίου που καλύπτονται από τάση και, επιπλέον, αποκλείονται επιλεκτικά από άλλους αποκλειστές. Τα κανάλια καλίου ενεργοποιούνται με τον ίδιο τρόπο όπως τα κανάλια νατρίου, όταν η κυτταρική μεμβράνη αποπολώνεται σε κρίσιμο επίπεδο, αλλά ταυτόχρονα, ο ρυθμός εξόδου των ιόντων Κ+ από το κύτταρο αυξάνεται πολύ πιο αργά από τον ρυθμό εισόδου του Na+ ιόντων στο κύτταρο.

Το επιλεκτικό φίλτρο του καναλιού καλίου βρίσκεται στο εσωτερικό του στόματος των πόρων, σε αντίθεση με την εξωτερική θέση ενός παρόμοιου φίλτρου σε κανάλια νατρίου (Εικ. 7). Η ύπαρξη επιλεκτικότητας αυτών των καναλιών σε σχέση με τα κατιόντα Na+ και K+ και διάφορους ειδικούς αποκλειστές - τετραδοτοξίνη (για νάτριο) και τετρααιθυλαμμώνιο (για κάλιο) - υποδηλώνει τη διαφορετική δομή αυτών των καναλιών.

Τα κανάλια καλίου με πύλη τάσης είναι τετραμερή και αποτελούνται από τέσσερις υπομονάδες που σχηματίζουν έναν πόρο στο κέντρο.

Τα κανάλια καλίου με πύλη τάσης εντοπίζονται στις μεμβράνες τόσο των διεγέρσιμων όσο και των μη διεγερμένων κυττάρων. Παίζουν σημαντικό ρόλο στον ρυθμό ανάκτησης (επαναπόλωση) του δυναμικού της μεμβράνης μετά την αποπόλωσή του και, επομένως, στον έλεγχο του σχήματος και της συχνότητας δημιουργίας δυναμικών δράσης. Οι αργοί δίαυλοι καλίου αποκλείονται από το τρααιθυλαμμώνιο, την 4-αμινοπυριδίνη, τη φαινκυκλιδίνη και την 9-αμινοακριδίνη.

Ρύζι. 7. Κανάλι καλίου: α - αριστερά - δισδιάστατη δομή της α-υπομονάδας. στα δεξιά είναι ένα διάγραμμα του καναλιού. β — διάγραμμα περίθλασης ηλεκτρονίων διαύλων καλίου στην κυτταροπλασματική μεμβράνη.

Εκτός από τα αργά κανάλια καλίου, έχουν περιγραφεί γρήγορα κανάλια καλίου με πύλη τάσης, η κινητική ανοίγματος των οποίων είναι παρόμοια με εκείνα των καναλιών νατρίου με ταχεία τάση. Αυτά τα κανάλια καλίου ανοίγουν γρήγορα κατά την εκπόλωση, στη συνέχεια αδρανοποιούνται πλήρως και η επανενεργοποίησή τους απαιτεί όχι μόνο επαναπόλωση της μεμβράνης, αλλά και υπερπόλωση για λίγο.

Σύμφωνα με τα ονόματα των γονιδίων που κωδικοποιούν τη σύνθεση και τη συναρμολόγηση μορίων που σχηματίζουν κανάλι, διακρίνονται έξι τύποι KCN με υποτύπους KCN A, B, C, E και μία οικογένεια διαύλων ιόντων KCNQ. Τα κανάλια της τελευταίας οικογένειας εκφράζονται στο μυοκάρδιο.

Κανάλια καλίου που καλύπτονται από συνδετήρες

Αντιπροσωπεύονται από μεγάλο αριθμό καναλιών ευαίσθητων στη δράση διαφόρων προσδεμάτων.

Ένας τύπος πολυάριθμων διαύλων καλίου που καλύπτονται από συνδέτη είναι το ευαίσθητο στη μουσκαρίνη κανάλι που σχετίζεται με τον υποδοχέα της ακετυλοχολίνης. Αυτά τα κανάλια ενεργοποιούνται από την ακετυλοχολίνη. Τα κανάλια μπορούν να αποκλειστούν από ιόντα βραδυκινίνης και βαρίου. Υπάρχουν δύο υποτύποι αυτών των καναλιών: αυτά που απενεργοποιούνται από τη μουσκαρίνη και αυτά που ενεργοποιούνται από αυτήν. Το τελευταίο εντοπίζεται στα κύτταρα του βηματοδότη της καρδιάς.

Οι ιδιότητες ενός εξαρτώμενου από συνδέτη διαύλου καλίου κατέχονται από μη εκλεκτικούς κατιονικούς διαύλους ανεξάρτητους από τάση που συνδυάζουν τα χαρακτηριστικά των καναλιών και των ευαίσθητων στη νικοτίνη υποδοχέων ακετυλοχολίνης της μετασυναπτικής μεμβράνης της νευρομυϊκής σύναψης. Όταν η πρωτεΐνη που σχηματίζει κανάλι αλληλεπιδρά με την ακετυλοχολίνη, αυτό το μη εκλεκτικό κανάλι ανοίγει, μέσω του οποίου τα ιόντα Na+ εισέρχονται στο μυϊκό κύτταρο και τα ιόντα Κ εξέρχονται από αυτό. Οι διαφορετικοί ρυθμοί κίνησης αυτών των ιόντων διασφαλίζουν την εμφάνιση αποπόλωσης της μετασυναπτικής μεμβράνης, η οποία δεν εξελίσσεται σε δυναμικό δράσης απευθείας σε αυτή τη μεμβράνη.

Έχουν εντοπιστεί ευαίσθητα στο ATP κανάλια καλίου, τα οποία αναστέλλονται και ενεργοποιούνται από τη δράση του ATP.

Μια ξεχωριστή οικογένεια καναλιών καλίου αποτελείται από τα λεγόμενα κανάλια καλίου ανόρθωσης εισόδου (πύλες) ή ανορθωτές εισόδου (προς τα μέσαδιορθώνοντας; προς τα μέσαανορθωτής). Δεν υπάρχει αισθητήρας τάσης στον μηχανισμό ανορθωτικής πύλης καναλιού καλίου. Η λειτουργική σημασία αυτών των καναλιών έγκειται στην επιρροή τους στη διεγερσιμότητα των κυττάρων του βηματοδότη, των μυϊκών κυττάρων και των νευρώνων.

Η οικογένεια της διόρθωσης των εισερχόμενων καναλιών καλίου, σύμφωνα με τα ονόματα των γονιδίων που τα κωδικοποιούν, χωρίζεται σε περισσότερους από 15 τύπους. Ένα παράδειγμα της ιδιαίτερης σημασίας της διόρθωσης των καναλιών καλίου εισόδου και, ειδικότερα, των καναλιών KCNJ 3, 5, 6 και 9 (άλλη ονομασία καναλιών Kir) μπορεί να είναι ο ειδικός τους ρόλος στη ρύθμιση του καρδιακού παλμού μέσω της συσχέτισης αυτών των καναλιών με το G πρωτεϊνικοί και ευαίσθητοι στη μουσκαρίνη υποδοχείς ακετυλοχολίνης των κυττάρων - καρδιακοί βηματοδότες.

Είναι γνωστά κανάλια καλίου που ενεργοποιούνται από νάτριο που δεν είναι ευαίσθητα στην τάση.

Περιγράφονται ειδικά μη ευαίσθητα στην τάση κανάλια καλίου, ευαίσθητα στις αλλαγές του pH, τα οποία υπάρχουν στα β-κύτταρα των νησίδων του παγκρέατος και λειτουργούν ως αισθητήρας γλυκόζης σε αυτά. Τα κανάλια καλίου είναι επίσης γνωστό ότι είναι ευαίσθητα σε αλλαγές στον όγκο των κυττάρων.

Κανάλια ασβεστίου

Η οικογένεια των καναλιών ασβεστίου αντιπροσωπεύεται ευρέως στα κύτταρα του νευρικού και μυϊκού ιστού. Οι κύριες θέσεις εντοπισμού τους είναι οι μεμβράνες των προσυναπτικών άκρων του σαρκοπλασμικού και ενδοπλασματικού δικτύου των μυών, το σαρκόλημμα των καρδιομυοκυττάρων και οι μεμβράνες των κυττάρων άλλων ιστών.

Με βάση τις μεθόδους ελέγχου της διαπερατότητας, τα κανάλια ασβεστίου χωρίζονται σε εξαρτώμενα από την τάση, παθητικά, εξαρτώμενα από προσδέματα, μηχανοευαίσθητα κ.λπ.

Τα κανάλια ασβεστίου χωρίζονται ανάλογα με το ρυθμό αδρανοποίησης σε κανάλια τύπου Τ ( παροδικός- παροδικό), τύπου L (αργή). Ανάλογα με τον ιστό και την ευαισθησία στις τοξίνες, διακρίνονται τα κανάλια τύπου Β (εγκέφαλος- εγκέφαλος), Ν-τύπου (νευρωνικό- νευρωνικό), τύπου P (purkinjeκύτταρο- Κύτταρο Purkinje) και τύπου R (ανθεκτικό στις τοξίνες).

Κανάλια ασβεστίου με πύλη τάσης

Σχηματίζονται από μια ολιγομερή πρωτεΐνη, που συνήθως αποτελείται από πέντε υπομονάδες a1, a2, β, y και δ. Ο ίδιος ο δίαυλος ιόντων σχηματίζεται από την α-υπομονάδα, η οποία έχει υψηλό βαθμό ομοιότητας στη σύνθεση και τη δομή αμινοξέων με μια παρόμοια υπομονάδα καναλιών νατρίου και καλίου που καλύπτονται από τάση (βλ. Εικ. 6, Εικ. 7).

Το κανάλι ασβεστίου με πύλη τάσης είναι επιλεκτικά διαπερατό από ιόντα Ca 2+. Η επιλεκτικότητα εξασφαλίζεται από την παρουσία ενός πόρου που σχηματίζει ένα επιλεκτικό φίλτρο.

Είναι ώραπου σχηματίζεται από τμήματα της υπομονάδας a 1, επομένως, δεδομένης της ομοιότητας της δομής της με αυτή των μονοσθενών διαύλων κατιόντων, θα περίμενε κανείς ότι το κανάλι ασβεστίου θα πρέπει να είναι διαπερατό από ιόντα Na+ και K+. Αυτή η ιδιότητα στην πραγματικότητα εμφανίζεται όταν το ασβέστιο αφαιρείται από το εξωκυτταρικό περιβάλλον.

Υπό φυσικές συνθήκες, η επιλεκτικότητα προς το ασβέστιο εξασφαλίζεται στο κανάλι με την παρουσία δύο θέσεων δέσμευσης ασβεστίου στον πόρο του καναλιού. Ένα από αυτά σχηματίζεται από μια ομάδα υπολειμμάτων γλουταμικού και σε χαμηλή συγκέντρωση ασβεστίου συνδέεται ισχυρά με αυτή τη θέση του πόρου του καναλιού και το κανάλι για το ασβέστιο γίνεται ασθενώς διαπερατό. Καθώς η συγκέντρωση του ασβεστίου αυξάνεται, η πιθανότητα το ασβέστιο να καταλάβει μια δεύτερη θέση δέσμευσης αυξάνεται. Οι προκύπτουσες δυνάμεις ηλεκτροστατικής απώθησης μεταξύ ιόντων Ca 2+ μειώνουν σημαντικά τον χρόνο παραμονής των ιόντων στις θέσεις δέσμευσης. Το απελευθερωμένο ασβέστιο διαχέεται μέσω του ενεργοποιημένου καναλιού στο κύτταρο κατά μήκος μιας ηλεκτροχημικής βαθμίδας.

Τα κανάλια ασβεστίου με πύλη τάσης διαφέρουν ως προς τις τιμές κατωφλίου των μετατοπίσεων διαφοράς δυναμικού στις οποίες ενεργοποιούνται. Τα κανάλια τύπου Τ ενεργοποιούνται από μικρές μετατοπίσεις τάσης στη μεμβράνη, οι τύποι L και P χαρακτηρίζονται από κατώφλια μετατόπισης υψηλής τάσης που προκαλούν την ενεργοποίησή τους.

Τα κανάλια ασβεστίου που καλύπτονται από τάση διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε μια σειρά ζωτικών διεργασιών στο σώμα. Η ενεργοποίησή τους και η είσοδος του ασβεστίου στο προσυναπτικό άκρο είναι απαραίτητες για τη μετάδοση συναπτικού σήματος.

Η είσοδος του ασβεστίου μέσω των διαύλων ασβεστίου στο κύτταρο του βηματοδότη είναι απαραίτητη για τη δημιουργία δυναμικών δράσης στα κύτταρα βηματοδότη της καρδιάς και τη διασφάλιση της ρυθμικής συστολής της. Τα κανάλια ασβεστίου που εξαρτώνται από την τάση ρυθμίζουν τη ροή του ασβεστίου στο σαρκόπλασμα των μυοκαρδιακών ινών, των σκελετικών μυών, των λείων μυοκυττάρων των αιμοφόρων αγγείων και των εσωτερικών οργάνων, ελέγχοντας την έναρξη, την ταχύτητα, τη δύναμη, τη διάρκεια της συστολής τους και ως εκ τούτου την κίνηση, τη λειτουργία άντλησης του καρδιά, αρτηριακή πίεση, αναπνοή και πολλές άλλες διεργασίες στο σώμα.

Παθητικά κανάλια ασβεστίου

Βρίσκεται στις κυτταροπλασματικές μεμβράνες λείων μυοκυττάρων. Είναι διαπερατά από το ασβέστιο σε ηρεμία και το ασβέστιο, μαζί με τα ιόντα K+ και Na+, εμπλέκεται στη δημιουργία της διαφοράς δυναμικού διαμεμβράνης ή του δυναμικού ηρεμίας των λείων μυοκυττάρων. Το ασβέστιο που εισέρχεται στο λείο μυοκύτταρο μέσω αυτών των διαύλων είναι μια πηγή αναπλήρωσης των αποθεμάτων του στο ενδοπλασματικό δίκτυο και χρησιμοποιείται ως δευτερεύων αγγελιοφόρος στη μετάδοση ενδοκυτταρικών σημάτων.

Το ασβέστιο σε ηρεμία μπορεί να μετακινηθεί από κύτταρο σε κύτταρο μέσω των καναλιών διασταύρωσης κενού. Αυτά τα κανάλια δεν είναι επιλεκτικά για το ασβέστιο και μέσω αυτών μπορεί να συμβεί ταυτόχρονα ενδοκυτταρική ανταλλαγή άλλων ιόντων και οργανικών ουσιών μικρού μοριακού βάρους. Το ασβέστιο που εισέρχεται στα κύτταρα μέσω των καναλιών σύνδεσης με διάκενο παίζει σημαντικό ρόλο στην εμφάνιση διέγερσης, έναρξης και συγχρονισμού των συσπάσεων του μυοκαρδίου, της μήτρας, των σφιγκτήρων των εσωτερικών οργάνων και στη διατήρηση του αγγειακού τόνου.

Κανάλια ασβεστίου που καλύπτονται από συνδετήρες

Κατά τη μελέτη των μηχανισμών ενεργοποίησης και ρύθμισης των συσπάσεων του μυοκαρδίου και των λείων μυών, αποδείχθηκε ότι εξαρτώνται από την παροχή ασβεστίου στο μυοκύτταρο τόσο από το εξωκυτταρικό περιβάλλον όσο και από τις ενδοκυτταρικές αποθήκες του. Σε αυτή την περίπτωση, η είσοδος του ασβεστίου στο σαρκόπλασμα μπορεί να ελεγχθεί από μια αλλαγή στη διαφορά δυναμικού στο σαρκόλημμα και την ενεργοποίηση των εξαρτώμενων από την τάση καναλιών ασβεστίου και (ή) τη δράση ενός αριθμού μορίων σηματοδότησης στη μεμβράνη του σαρκοπλασματικού δικτύου. .

Οι δίαυλοι ασβεστίου που καλύπτονται από συνδέτη εντοπίζονται στις κυτταροπλασματικές μεμβράνες λείων μυοκυττάρων. Οι συνδέτες των υποδοχέων τους μπορεί να είναι ορμόνες: βαζοπρεσίνη, ωκυτοκίνη, αδρεναλίνη. νευροδιαβιβαστής νορεπινεφρίνη; μόρια σηματοδότησης: αγγειοτενσίνη 2, ενδοθήλιο 1 και άλλες ουσίες. Η δέσμευση του συνδέτη με τον υποδοχέα συνοδεύεται από ενεργοποίηση του διαύλου ασβεστίου και την είσοδο ασβεστίου στο κύτταρο από το εξωκυτταρικό περιβάλλον.

Στα καρδιομυοκύτταρα, για να ξεκινήσει η μυϊκή συστολή, είναι απαραίτητο να ενεργοποιηθούν αρχικά οι εξαρτώμενοι από την τάση κανάλια ασβεστίου του τύπου Τ και μετά του τύπου L, το άνοιγμα των οποίων εξασφαλίζει την είσοδο ορισμένης ποσότητας ιόντων Ca 2+ στο κύτταρο. . Το ασβέστιο που εισέρχεται στο κύτταρο ενεργοποιεί τον υποδοχέα ρυανοδίνης (RYR), μια πρωτεΐνη που σχηματίζει κανάλι και είναι ενσωματωμένη στη μεμβράνη του σαρκοπλασμικού δικτύου του καρδιομυοκυττάρου. Ως αποτέλεσμα της ενεργοποίησης του καναλιού, η διαπερατότητά του στο ασβέστιο αυξάνεται και το τελευταίο διαχέεται στο σαρκόπλασμα κατά μήκος της βαθμίδας συγκέντρωσης. Έτσι, τα ιόντα Ca 2+ δρουν ως ένα είδος συνδετών που ενεργοποιούν τους υποδοχείς ρυανοδίνης και ως εκ τούτου τους διαύλους ασβεστίου. Ως αποτέλεσμα, το εξωκυτταρικό ασβέστιο που εισέρχεται στο κύτταρο λειτουργεί ως έναυσμα για την απελευθέρωση ασβεστίου από την κύρια ενδοκυτταρική του αποθήκευση.

Τα κανάλια ασβεστίου μπορούν ταυτόχρονα να είναι ευαίσθητα σε αλλαγές στις διαφορές δυναμικού στην κυτταροπλασματική μεμβράνη και στη δράση των προσδεμάτων. Για παράδειγμα, τα κανάλια ασβεστίου που καλύπτονται από τάση τύπου L είναι ευαίσθητα στη διυδροπυριδίνη (νιφεδιπίνη), στις φαινυλαλκυλαμίνες (βεραπαμίλη) και στις βενζοθειαζεπίνες (διλτιαζέμη). Αυτός ο τύπος καναλιού ονομάζεται συχνά υποδοχέας διυδροπυριδίνης. Αυτό το όνομα υποδηλώνει ότι το κανάλι L-ασβεστίου είναι δεσμευμένο από συνδέτη, αν και στην πραγματικότητα είναι ένα κανάλι με πύλη τάσης.

Τα κανάλια τύπου P είναι ανθεκτικά στη δράση των κονογοξινών και φαρμάκων στα οποία είναι ευαίσθητοι άλλοι τύποι διαύλων ασβεστίου.

Οι λειτουργικές ιδιότητες των α1 υπομονάδων των διαύλων ασβεστίου με πύλη τάσης μπορούν να ρυθμιστούν με τη φωσφορυλίωση τους, και έτσι η κατάσταση διαπερατότητας ιόντων των διαύλων ασβεστίου, για παράδειγμα, στο μυοκάρδιο, μπορεί να ρυθμιστεί.

Ένας ειδικός τύπος διαύλων ιόντων ασβεστίου που καλύπτονται από συνδέτη είναι κανάλια που εντοπίζονται στις μεμβράνες του ενδοπλασματικού δικτύου λείων μυϊκών κυττάρων, η κατάσταση διαπερατότητας των οποίων ελέγχεται από το ενδοκυτταρικό επίπεδο του δευτερεύοντος αγγελιοφόρου - IPG. Χρησιμοποιώντας αυτά τα κανάλια ως παράδειγμα, συναντάμε μια περίπτωση όπου ένας αγωνιστής μόριο εξωκυτταρικής σηματοδότησης, ενεργοποιώντας τον υποδοχέα της πλασματικής μεμβράνης του λείου μυϊκού κυττάρου στόχου, ενεργοποιεί την οδό φωσφορικής ινοσιτόλης της ενδοκυτταρικής μετάδοσης σήματος, η οποία με τη σειρά της, μέσω του δράση του IPE, ενεργοποιεί την επόμενη πρωτεΐνη που σχηματίζει κανάλι στη μεμβράνη του κυτταρικού οργανιδίου. Ολόκληρη αυτή η αλυσίδα γεγονότων μετάδοσης σήματος τελειώνει με την απελευθέρωση ιόντων Ca 2+ από τις ενδοκυτταρικές αποθήκες, τα οποία ενεργοποιούν και ελέγχουν τον μοριακό μηχανισμό της συστολής των λείων μυϊκών κυττάρων.

Μηχανοευαίσθητα κανάλια ασβεστίου

Εντοπίζονται στην πλασματική μεμβράνη λείων μυοκυττάρων των τοιχωμάτων των αιμοφόρων αγγείων, μυοΐτιδες εσωτερικών οργάνων, αγγειακό ενδοθήλιο και βρογχικό επιθήλιο. Αυτά τα κανάλια μπορεί να σχετίζονται με μηχανοϋποδοχείς γλυκοπρωτεϊνών. Σε απόκριση στη μηχανική καταπόνηση (για παράδειγμα, τέντωμα του αγγειακού τοιχώματος από την αρτηριακή πίεση), η διαπερατότητα στα ιόντα Ca 2+ αυξάνεται. Τα μηχανοευαίσθητα κανάλια δεν έχουν υψηλή εκλεκτικότητα και αλλάζουν τη διαπερατότητά τους ταυτόχρονα για έναν αριθμό κατιόντων. Η είσοδος ασβεστίου και νατρίου σε ένα κύτταρο λείου μυός προκαλεί αποπόλωση της μεμβράνης του, άνοιγμα των διαύλων ασβεστίου που καλύπτονται από τάση, αύξηση της εισόδου ασβεστίου και συστολή του λείου μυοκυττάρου.

Αυτά τα συμβάντα αποτελούν μέρος του μηχανισμού προσαρμογής του αγγειακού τόνου και ρύθμισης της ροής του αίματος στις μεταβαλλόμενες τιμές της αρτηριακής πίεσης στο αγγείο και της ταχύτητας ροής του αίματος (μυογονική ρύθμιση). Επιπλέον, οι μηχανοευαίσθητοι δίαυλοι ασβεστίου εμπλέκονται στην εφαρμογή μηχανισμών χαλάρωσης του αγγειακού στρες κατά τη διάρκεια παρατεταμένων αυξήσεων της αρτηριακής πίεσης.

Κανάλια χλωρίου

Κανάλια χλωρίου υπάρχουν στις πλασματικές μεμβράνες των περισσότερων κυττάρων. Παίζουν σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της διαφοράς διαμεμβρανικού δυναμικού σε ένα κύτταρο ηρεμίας και στις μετατοπίσεις τους όταν αλλάζει η λειτουργική δραστηριότητα των κυττάρων. Τα κανάλια χλωρίου εμπλέκονται στη ρύθμιση του όγκου των κυττάρων, στη διαεπιθηλιακή μεταφορά ουσιών και στην έκκριση υγρών από τα εκκριτικά κύτταρα.

Σύμφωνα με τους μηχανισμούς ενεργοποίησης, διακρίνονται τρεις υπεροικογένειες καναλιών χλωρίου: κλειστά από τάση, δεσμευμένα με συνδέτη και άλλα μη ευαίσθητα στην τάση κανάλια χλωρίου.

Δυνητικά εξαρτώμενα κανάλια χλωρίου.Εντοπίζεται στις μεμβράνες των διεγερτικών και επιθηλιακών κυττάρων. Η κατάσταση διαπερατότητας αυτών των καναλιών ελέγχεται από το μέγεθος της διαφοράς δυναμικού διαμεμβράνης.

Η δυνητική εξαρτώμενη διαπερατότητα των καναλιών χλωρίου ποικίλλει σε διαφορετικούς ιστούς. Έτσι, στην αξονική μεμβράνη, η εξάρτηση της διαπερατότητας των καναλιών χλωρίου από τη διαφορά δυναμικού είναι ασήμαντη και δεν επηρεάζει σημαντικά τη μεταβολή του μεγέθους του δυναμικού δράσης κατά τη διέγερση, και στους σκελετικούς μύες αυτή η εξάρτηση της διαπερατότητας των καναλιών χλωρίου είναι υψηλότερο.

Ο δίαυλος CLC1 είναι τυπικός εκπρόσωπος των διαύλων χλωρίου της σαρκολεμματικής μυϊκής ίνας των σκελετικών μυών. Το κανάλι παρουσιάζει διαπερατότητα σε όλο το εύρος μεταβολών της διαμεμβρανικής τάσης σε ηρεμία, ενεργοποιείται κατά την εκπόλωση και αδρανοποιείται κατά την υπερπόλωση της μεμβράνης.

Κανάλια χλωρίου με πύλη προσδέματος.Εκφράζεται κυρίως στον νευρικό ιστό. Η κατάσταση διαπερατότητας αυτών των καναλιών χλωρίου ελέγχεται κυρίως από εξωκυτταρικούς συνδέτες, αλλά μπορεί να είναι ευαίσθητοι στις ενδοκυτταρικές συγκεντρώσεις ασβεστίου και να ενεργοποιούνται από τις πρωτεΐνες G και το cAMP. Τα κανάλια αυτού του τύπου είναι ευρέως κατανεμημένα σε μετασυναπτικές μεμβράνες και χρησιμοποιούνται για τη διεξαγωγή μετασυναπτικής αναστολής. Η κατάσταση της διαπερατότητας των καναλιών ελέγχεται με την ενεργοποίηση των καναλιών με συνδέτες - ανασταλτικούς νευροδιαβιβαστές (γ-αμινοβουτυρικό οξύ και γλυκίνη).

Κανάλια χλωρίου που δεν είναι ευαίσθητα στην τάση.Περιλαμβάνει παθητικούς διαύλους χλωρίου, κανάλια ευαίσθητα στο ATP και ρυθμιστή διαμεμβρανικής αγωγιμότητας της διάμεσης ίνωσης (κυστικός της κύστεωςίνωσηδιαμεμβρανικήαγωγιμότηταρυθμιστής- CFTR).

Το CFTR προφανώς αποτελείται από το ίδιο το κανάλι χλωρίου και ένα ρυθμιστικό κανάλι που αντιπροσωπεύεται από έναν ειδικό ρυθμιστικό τομέα (P-domain). Η ρύθμιση της αγωγιμότητας ιόντων αυτών των διαύλων πραγματοποιείται με φωσφορυλίωση της ρυθμιστικής περιοχής από την εξαρτώμενη από cAMP πρωτεϊνική κινάση. Η παραβίαση της δομής και της λειτουργίας αυτού του καναλιού οδηγεί στην ανάπτυξη μιας σοβαρής ασθένειας που συνοδεύεται από δυσλειτουργία πολλών ιστών - διάμεση ίνωση.

Ακουαπορίνες

Ακουαπορίνες(από λατ. aqua- νερό, ελληνικό πορώδης- κανάλι, πόρος) - πρωτεΐνες που σχηματίζουν κανάλια νερού και εξασφαλίζουν διαμεμβρανική μεταφορά νερού. Οι ακουαπορίνες είναι αναπόσπαστες, τετραμερείς πρωτεΐνες μεμβράνης, το μονομερές των οποίων έχει μάζα περίπου 30 kDa. Έτσι, κάθε ακουαπορίνη σχηματίζει τέσσερα κανάλια νερού (Εικ. 8).

Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτών των καναλιών είναι ότι τα μόρια του νερού σε αυτά μπορούν να κινούνται υπό ισοσμωτικές συνθήκες, δηλ. όταν δεν επηρεάζονται από τις δυνάμεις της ωσμωτικής βαθμίδας. Η συντομογραφία AQP χρησιμοποιείται για να αναφέρεται σε ακουαπορίνες. Ένας αριθμός τύπων ακουαπορινών έχουν απομονωθεί και περιγραφεί: AQP1 - στις επιθηλιακές μεμβράνες των εγγύς νεφρικών σωληναρίων, το κατερχόμενο άκρο του βρόχου του Henle. στις μεμβράνες του ενδοθηλίου και στα λεία μυοκύτταρα των αιμοφόρων αγγείων, στις δομές του υαλοειδούς σώματος. AQP2 - στις μεμβράνες του επιθηλίου των αγωγών συλλογής. Αυτή η ακουαπορίνη βρέθηκε να είναι ευαίσθητη στη δράση της αντιδιουρητικής ορμόνης και σε αυτή τη βάση μπορεί να θεωρηθεί ως κανάλι νερού που καλύπτεται από πρόσδεμα. Η έκφραση του γονιδίου που ελέγχει τη σύνθεση αυτής της ακουαπορίνης ρυθμίζεται από την αντιδιουρητική ορμόνη. Το AQP3 βρίσκεται στις μεμβράνες των κυττάρων του κερατοειδούς. AQP4 - στα εγκεφαλικά κύτταρα.

Ρύζι. 8. Δομή του καναλιού νερού AQP1: α - πεπτιδικές αλυσίδες που σχηματίζουν το κανάλι. β — συναρμολογημένο κανάλι: A, B, C, D, E — τμήματα της πρωτεϊνικής αλυσίδας

Αποδείχθηκε ότι το AQP1 και το AQP4 παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό και την κυκλοφορία του εγκεφαλονωτιαίου υγρού. Οι ακουαπορίνες βρίσκονται στο επιθήλιο της γαστρεντερικής οδού: AQP4 - στο στομάχι και το λεπτό έντερο. AQP5 - στους σιελογόνους αδένες. AQP6 - στο λεπτό έντερο και στο πάγκρεας. AQP7 - στο λεπτό έντερο. AQP8, AQP9 - στο ήπαρ. Ορισμένες ακουαπορίνες μεταφέρουν όχι μόνο μόρια νερού, αλλά και οργανικές ουσίες διαλυτές σε αυτό (οξυγόνο, γλυκερίνη, ουρία). Έτσι, οι ακουαπορίνες παίζουν σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό του νερού στο σώμα και η διαταραχή της λειτουργίας τους μπορεί να είναι ένας από τους λόγους για τον σχηματισμό εγκεφαλικού και πνευμονικού οιδήματος και την ανάπτυξη νεφρικής και καρδιακής ανεπάρκειας.

Η γνώση των μηχανισμών μεταφοράς ιόντων μέσω μεμβρανών και των μεθόδων επιρροής αυτής της μεταφοράς είναι απαραίτητη προϋπόθεση όχι μόνο για την κατανόηση των μηχανισμών ρύθμισης των ζωτικών λειτουργιών, αλλά και για τη σωστή επιλογή φαρμάκων στη θεραπεία μεγάλου αριθμού ασθενειών (υπέρταση , βρογχικό άσθμα, καρδιακές αρρυθμίες, διαταραχές ανταλλαγής νερού-αλατιού κ.λπ.).

Για να κατανοήσουμε τους μηχανισμούς ρύθμισης των φυσιολογικών διεργασιών στο σώμα, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε όχι μόνο τη δομή και τη διαπερατότητα των κυτταρικών μεμβρανών για διάφορες ουσίες, αλλά και τη δομή και τη διαπερατότητα πιο περίπλοκων δομικών σχηματισμών που βρίσκονται μεταξύ του αίματος και των ιστών διαφόρων όργανα.

Μπλουζα

		1 διαφωνώ εντελώς	2 διαφωνώ	3 Δεν ξέρω	4 συμφωνώ	5 συμφωνώ απόλυτα
	Αυτή η δραστηριότητα ανέπτυξε τις δεξιότητες επίλυσης προβλημάτων μου.
	Για να ολοκληρώσω με επιτυχία αυτό το μάθημα, το μόνο που χρειαζόμουν ήταν μια καλή ανάμνηση.
	Αυτή η δραστηριότητα ανέπτυξε την ικανότητά μου να εργάζομαι σε ομάδα.
	Αυτή η δραστηριότητα βελτίωσε τις αναλυτικές μου ικανότητες.
	Αυτό το μάθημα βελτίωσε τις δεξιότητες γραφής μου.
	Η τάξη απαιτούσε βαθιά κατανόηση του υλικού.