Protéines membranaires comme canaux ioniques. Canaux sélectifs et non sélectifs

Canaux ioniques représenté par des protéines membranaires intégrales. Ces protéines sont capables, sous certaines influences, de modifier leur conformation (forme et propriétés) de telle sorte que le pore par lequel peut passer n'importe quel ion s'ouvre ou se ferme. Les canaux sodium, potassium, calcium et chlore sont connus ; parfois un canal peut laisser passer deux ions, par exemple, les canaux sodium-calcium sont connus. Seul le transport passif des ions se produit à travers les canaux ioniques. Cela signifie que pour qu’un ion se déplace, il faut non seulement un canal ouvert, mais également un gradient de concentration pour cet ion. Dans ce cas, l'ion se déplacera le long d'un gradient de concentration - d'une zone avec une concentration plus élevée vers une zone avec une concentration plus faible. Il ne faut pas oublier que nous parlons d'ions - des particules chargées dont le transport est également déterminé par la charge. Des situations sont possibles lorsque le mouvement le long du gradient de concentration peut être dirigé dans une direction et que les charges existantes contrecarrent ce transfert.

Les canaux ioniques ont deux propriétés importantes : 1) sélectivité (sélectivité) envers certains ions et 2) possibilité d'ouvrir (activer) et de fermer. Lorsqu'il est activé, le canal s'ouvre et laisse passer les ions (Fig. 8). Ainsi, le complexe de protéines intégrales qui forment le canal doit nécessairement comprendre deux éléments : des structures qui reconnaissent « leur » ion et sont capables de le laisser passer, et des structures qui permettent de savoir quand laisser passer cet ion. La sélectivité du canal est déterminée par les protéines qui le composent ; le « propre » ion est reconnu par sa taille et sa charge.

Activation de la chaîne possible de plusieurs manières. Premièrement, les canaux peuvent s’ouvrir et se fermer à mesure que le potentiel membranaire change. Le changement de charge entraîne une modification de la conformation des molécules protéiques et le canal devient perméable à l'ion. Pour modifier les propriétés du canal, une légère fluctuation du potentiel de membrane suffit. De tels canaux sont appelés dépendant de la tension(ou à commande électrique). Deuxièmement, les canaux peuvent faire partie d’un complexe protéique complexe appelé récepteur membranaire. Dans ce cas, la modification des propriétés du canal est provoquée par un réarrangement conformationnel des protéines, qui résulte de l'interaction du récepteur avec une substance biologiquement active (hormone, médiateur). De tels canaux sont appelés chimiodépendant(ou dépendant du récepteur ) . De plus, les canaux peuvent s'ouvrir sous influence mécanique - pression, étirement (Fig. 9). Le mécanisme qui assure l'activation est appelé canalisation. En fonction de la vitesse à laquelle les canaux s'ouvrent et se ferment, ils peuvent être divisés en rapides et lents.

La plupart des canaux (potassium, calcium, chlorure) peuvent être dans deux états : ouvert et fermé. Il existe certaines particularités dans le fonctionnement des canaux sodiques. Ces canaux, comme le potassium, le calcium et le chlorure, ont tendance à être soit dans un état ouvert soit fermé, cependant, le canal sodium peut également être inactivé, c'est un état dans lequel le canal est fermé et ne peut être ouvert par aucune influence ( Fig.10).

Figure 8. États des canaux ioniques

Figure 9. Exemple de canal dépendant du récepteur. ACh – acétylcholine. L'interaction de la molécule ACh avec le récepteur membranaire modifie la conformation de la protéine porte de telle sorte que le canal commence à laisser passer les ions.

Figure 10 Exemple de canal dépendant du potentiel

Le canal sodium voltage-dépendant possède des portes d'activation et d'inactivation (portes). Les portes d'activation et d'inactivation changent de conformation à différents potentiels de membrane.

Lors de l'examen des mécanismes d'excitation, nous nous intéresserons principalement au travail des canaux sodiques et potassiques, cependant, attardons-nous brièvement sur les caractéristiques des canaux calciques, nous en aurons besoin à l'avenir. Les canaux sodiques et calciques diffèrent par leurs propriétés. Les canaux sodiques sont rapides et lents, tandis que les canaux calciques ne sont que lents. L'activation des canaux sodiques entraîne uniquement une dépolarisation et l'apparition de LO ou d'AP peut en outre provoquer des modifications métaboliques dans la cellule ; Ces changements sont dus au fait que le calcium se lie à des protéines spéciales sensibles à cet ion. La protéine liée au calcium modifie ses propriétés de telle manière qu'elle devient capable de modifier les propriétés d'autres protéines, par exemple en activant des enzymes, en déclenchant une contraction musculaire et en libérant des médiateurs.

Selon les concepts modernes, les membranes biologiques forment l'enveloppe externe de toutes les cellules animales et forment de nombreux organites intracellulaires. La caractéristique structurelle la plus caractéristique est que les membranes forment toujours des espaces fermés, et cette organisation microstructurale des membranes leur permet de remplir des fonctions essentielles.

Structure et fonctions des membranes cellulaires.

1. La fonction barrière s'exprime dans le fait que la membrane, à l'aide de mécanismes appropriés, participe à la création de gradients de concentration, empêchant la libre diffusion. Dans ce cas, la membrane participe aux mécanismes d’électrogenèse. Ceux-ci incluent des mécanismes pour créer un potentiel de repos, la génération d'un potentiel d'action, des mécanismes pour la propagation d'impulsions bioélectriques à travers des structures excitables homogènes et hétérogènes.

2. La fonction régulatrice de la membrane cellulaire est la régulation fine du contenu intracellulaire et des réactions intracellulaires dues à la réception de substances biologiquement actives extracellulaires, ce qui entraîne des modifications dans l'activité des systèmes enzymatiques de la membrane et le lancement de mécanismes secondaires. messagers » (« intermédiaires »).

3. Conversion de stimuli externes de nature non électrique en signaux électriques (dans les récepteurs).

4. Libération de neurotransmetteurs dans les terminaisons synaptiques.

Les méthodes modernes de microscopie électronique ont déterminé l'épaisseur des membranes cellulaires (6 à 12 nm). L'analyse chimique a montré que les membranes sont principalement composées de lipides et de protéines, dont la quantité varie selon les différents types de cellules. La difficulté d'étudier les mécanismes moléculaires du fonctionnement des membranes cellulaires est due au fait que lors de l'isolement et de la purification des membranes cellulaires, leur fonctionnement normal est perturbé. Actuellement, on peut parler de plusieurs types de modèles de membranes cellulaires, parmi lesquels le modèle de mosaïque liquide est le plus répandu.

Selon ce modèle, la membrane est représentée par une bicouche de molécules phospholipidiques, orientées de telle manière que les extrémités hydrophobes des molécules sont situées à l'intérieur de la bicouche, et les extrémités hydrophiles sont dirigées vers la phase aqueuse. Cette structure est idéale pour la formation d'une séparation entre deux phases : extra- et intracellulaire.

Les protéines globulaires sont intégrées dans la bicouche phospholipidique dont les régions polaires forment une surface hydrophile dans la phase aqueuse. Ces protéines intégrées remplissent diverses fonctions, notamment celles de récepteur, d'enzymes, de formation de canaux ioniques, de pompes membranaires et de transporteurs d'ions et de molécules.

Certaines molécules protéiques diffusent librement dans le plan de la couche lipidique ; à l'état normal, les parties des molécules protéiques émergeant de différents côtés de la membrane cellulaire ne changent pas de position.

Caractéristiques électriques des membranes :

Les propriétés capacitives sont principalement déterminées par la bicouche phospholipidique, qui est imperméable aux ions hydratés et en même temps suffisamment fine (environ 5 nm) pour permettre une séparation et une accumulation efficaces des charges et une interaction électrostatique des cations et des anions. De plus, les propriétés capacitives des membranes cellulaires sont l'une des raisons qui déterminent les caractéristiques temporelles des processus électriques se produisant sur les membranes cellulaires.

La conductivité (g) est l'inverse de la résistance électrique et est égale au rapport du courant transmembranaire total pour un ion donné à la valeur qui a déterminé sa différence de potentiel transmembranaire.

Diverses substances peuvent diffuser à travers la bicouche phospholipidique, et le degré de perméabilité (P), c'est-à-dire la capacité de la membrane cellulaire à laisser passer ces substances, dépend de la différence de concentrations de la substance diffusante des deux côtés de la membrane, de sa solubilité. dans les lipides et les propriétés de la membrane cellulaire.

La conductivité d'une membrane est une mesure de sa perméabilité ionique. Une augmentation de la conductivité indique une augmentation du nombre d'ions traversant la membrane.

Structure et fonctions des canaux ioniques. Les ions Na+, K+, Ca2+, Cl- pénètrent dans la cellule et sortent par des canaux spéciaux remplis de liquide. La taille du canal est assez petite.

Tous les canaux ioniques sont divisés dans les groupes suivants :

1. Par sélectivité :

a) Sélectif, c'est-à-dire spécifique. Ces canaux sont perméables à des ions strictement définis.

b) Faible sélectivité, non spécifique, sans sélectivité ionique spécifique. Il y en a un petit nombre dans la membrane.

1. Selon la nature des ions traversés :

a) potassium

b) sodium

c) calcium

d) le chlore

1. Selon le taux d'inactivation, c'est-à-dire fermeture:

a) inactivation rapide, c'est-à-dire se transformant rapidement en un état fermé. Ils assurent une réduction rapidement croissante des MP et une récupération tout aussi rapide.

b) à action lente. Leur ouverture provoque une lente diminution des MP et sa lente récupération.

4. Selon les mécanismes d'ouverture :

a) dépendant du potentiel, c'est-à-dire ceux qui s’ouvrent à un certain niveau de potentiel membranaire.

b) chimiodépendant, s'ouvrant lorsque les chimiorécepteurs de la membrane cellulaire sont exposés à des substances physiologiquement actives (neurotransmetteurs, hormones, etc.).

Il est désormais établi que les canaux ioniques ont la structure suivante :

1. Filtre sélectif situé à l’embouchure du canal. Il assure le passage d'ions strictement définis à travers le canal.

2. Des portes d'activation qui s'ouvrent à un certain niveau de potentiel membranaire ou sous l'action du PAS correspondant. La porte d'activation des canaux dépendants du potentiel possède un capteur qui les ouvre à un certain niveau de MP.

3. Porte d'inactivation, assurant la fermeture du canal et l'arrêt du flux d'ions à travers le canal à un certain niveau de MP (Fig).

Les canaux ioniques non spécifiques n'ont pas de grille.

Les canaux ioniques sélectifs peuvent exister dans trois états, qui sont déterminés par la position des portes d'activation (m) et d'inactivation (h) :

1.Fermé lorsque ceux d'activation sont fermés et ceux d'inactivation sont ouverts.

2. Activé, les deux portes sont ouvertes.

3. Inactivé, la porte d'activation est ouverte et la porte d'inactivation est fermée

Fonctions des canaux ioniques :

1. Potassium (au repos) – génération de potentiel de repos

2. Sodium - génération de potentiel d'action

3. Calcium – génération d’action lente

4. Potassium (rectification retardée) – assurant la repolarisation

5. Activé par le potassium et le calcium – limitant la dépolarisation provoquée par le courant Ca+2

La fonction des canaux ioniques est étudiée de différentes manières. La méthode la plus courante est la pince de tension, ou « pince de tension ». L'essence de la méthode est qu'à l'aide de systèmes électroniques spéciaux, le potentiel de membrane est modifié et fixé à un certain niveau au cours de l'expérience. Dans ce cas, l'ampleur du courant ionique circulant à travers la membrane est mesurée. Si la différence de potentiel est constante, alors, conformément à la loi d'Ohm, l'amplitude du courant est proportionnelle à la conductivité des canaux ioniques. En réponse à une dépolarisation progressive, certains canaux s'ouvrent et les ions correspondants pénètrent dans la cellule selon un gradient électrochimique, c'est-à-dire qu'un courant ionique apparaît qui dépolarise la cellule. Ce changement est détecté par un amplificateur de commande et un courant électrique traverse la membrane, d'amplitude égale mais de direction opposée au courant ionique de la membrane. Dans ce cas, la différence de potentiel transmembranaire ne change pas.

L'étude de la fonction de canaux individuels est possible en utilisant la méthode de fixation locale du potentiel « path-clamp ». Une microélectrode en verre (micropipette) est remplie de solution saline, pressée contre la surface de la membrane et un léger vide est créé. Dans ce cas, une partie de la membrane est aspirée vers la microélectrode. Si un canal ionique apparaît dans la zone d'aspiration, alors l'activité d'un seul canal est enregistrée. Le système d'irritation et d'enregistrement de l'activité des canaux diffère peu du système d'enregistrement de tension.

Le courant traversant un seul canal ionique a une forme rectangulaire et est de même amplitude pour les canaux de différents types. La durée du séjour du canal à l'état ouvert est probabiliste, mais dépend de la valeur du potentiel de membrane. Le courant ionique total est déterminé par la probabilité qu'un certain nombre de canaux soient à l'état ouvert au cours de chaque période de temps spécifique.

La partie extérieure du canal est relativement accessible à l'étude ; l'étude de la partie intérieure présente des difficultés importantes. P. G. Kostyuk a développé une méthode de dialyse intracellulaire qui permet d'étudier la fonction des structures d'entrée et de sortie des canaux ioniques sans utiliser de microélectrodes. Il s'est avéré que la partie du canal ionique ouverte sur l'espace extracellulaire diffère par ses propriétés fonctionnelles de la partie du canal faisant face à l'environnement intracellulaire.

Ce sont les canaux ioniques qui confèrent deux propriétés importantes à la membrane : la sélectivité et la conductivité.

La sélectivité, ou sélectivité, du canal est assurée par sa structure protéique particulière. La plupart des canaux sont contrôlés électriquement, c'est-à-dire que leur capacité à conduire les ions dépend de l'ampleur du potentiel membranaire. Le canal est hétérogène dans ses caractéristiques fonctionnelles, notamment en ce qui concerne les structures protéiques situées à l'entrée du canal et à sa sortie (les mécanismes dits de porte).

Considérons le principe de fonctionnement des canaux ioniques en prenant comme exemple le canal sodium. On pense que le canal sodium est fermé au repos. Lorsque la membrane cellulaire est dépolarisée jusqu'à un certain niveau, la porte d'activation m s'ouvre (activation) et le flux d'ions Na+ dans la cellule augmente. Quelques millisecondes après l'ouverture de la m-gate, la h-gate située à la sortie des canaux sodiques se ferme (inactivation). L'inactivation se développe très rapidement dans la membrane cellulaire et le degré d'inactivation dépend de l'ampleur et du temps d'action du stimulus dépolarisant.

Lorsqu'un seul potentiel d'action est généré dans une fibre nerveuse épaisse, la modification de la concentration d'ions Na+ dans l'environnement interne ne représente que 1/100 000 de la teneur interne en ions Na+ de l'axone géant du calmar.

En plus du sodium, d'autres types de canaux sont installés dans les membranes cellulaires qui sont sélectivement perméables aux ions individuels : K+, Ca2+, et il existe une variété de canaux pour ces ions.

Hodgkin et Huxley ont formulé le principe de « l'indépendance » des canaux, selon lequel le flux de sodium et de potassium à travers la membrane est indépendant l'un de l'autre.

Les propriétés de conductivité des différents canaux ne sont pas les mêmes. En particulier, pour les canaux potassiques, le processus d'inactivation n'existe pas, comme pour les canaux sodiques. Il existe des canaux potassiques spéciaux qui sont activés lorsque la concentration intracellulaire de calcium augmente et que la membrane cellulaire se dépolarise. L'activation des canaux dépendants du potassium et du calcium accélère la repolarisation, rétablissant ainsi la valeur initiale du potentiel de repos.

Les canaux calciques présentent un intérêt particulier. Le courant de calcium entrant n’est généralement pas suffisamment important pour dépolariser normalement la membrane cellulaire. Le plus souvent, le calcium entrant dans la cellule agit comme un « messager », ou messager secondaire. L'activation des canaux calciques est obtenue par dépolarisation de la membrane cellulaire, par exemple par un courant de sodium entrant.

Le processus d'inactivation des canaux calciques est assez complexe. D'une part, une augmentation de la concentration intracellulaire de calcium libre entraîne une inactivation des canaux calciques. D'autre part, les protéines du cytoplasme des cellules se lient au calcium, ce qui permet de maintenir longtemps un courant calcique stable, bien qu'à un faible niveau ; dans ce cas, le courant de sodium est complètement supprimé. Les canaux calciques jouent un rôle essentiel dans les cellules cardiaques. L'électrogenèse des cardiomyocytes est abordée au chapitre 7. Les caractéristiques électrophysiologiques des membranes cellulaires sont étudiées à l'aide de méthodes spéciales.

Tous les canaux présents dans les tissus vivants, et nous connaissons désormais plusieurs centaines de types de canaux, peuvent être divisés en deux types principaux. Le premier type est canaux de repos, qui s'ouvrent et se ferment spontanément sans aucune influence extérieure. Ils sont importants pour générer le potentiel de membrane au repos. Le deuxième type est ce qu'on appelle canaux de porte, ou canaux de portail(du mot "porte") . Au repos, ces canaux sont fermés et peuvent s'ouvrir sous l'influence de certains stimuli. Certains types de ces canaux sont impliqués dans la génération de potentiels d'action.

La plupart des canaux ioniques sont caractérisés sélectivité(sélectivité), c'est-à-dire que seuls certains ions passent par un certain type de canal. Sur la base de cette caractéristique, on distingue les canaux sodium, potassium, calcium et chlorure. La sélectivité des canaux est déterminée par la taille des pores, la taille de l'ion et de sa coquille d'hydratation, la charge de l'ion, ainsi que la charge de la surface interne du canal. Cependant, il existe également des canaux non sélectifs qui peuvent laisser passer deux types d'ions à la fois : par exemple, le potassium et le sodium. Il existe des canaux par lesquels tous les ions et même les molécules plus grosses peuvent passer.

Il existe une classification des canaux ioniques selon méthode d'activation(Fig. 9). Certains canaux répondent spécifiquement aux changements physiques de la membrane cellulaire du neurone. Les représentants les plus éminents de ce groupe sont canaux activés par tension. Les exemples incluent les canaux ioniques sodium, potassium et calcium sensibles à la tension sur la membrane, qui sont responsables de la formation du potentiel d'action. Ces canaux s'ouvrent à un certain potentiel de membrane. Ainsi, les canaux sodium et potassium s'ouvrent à un potentiel d'environ -60 mV (la surface interne de la membrane est chargée négativement par rapport à la surface externe). Les canaux calciques s'ouvrent à un potentiel de -30 mV. Le groupe de canaux activés par des changements physiques comprend

Graphique 9. Méthodes d'activation des canaux ioniques

(A) Canaux ioniques activés par des modifications du potentiel membranaire ou de l’étirement de la membrane. (B) Canaux ioniques activés par des agents chimiques (ligands) du côté extracellulaire ou intracellulaire.

Aussi canaux mécanosensibles qui répondent à un stress mécanique (étirement ou déformation de la membrane cellulaire). Un autre groupe de canaux ioniques s'ouvre lorsque des produits chimiques activent des sites de liaison aux récepteurs spéciaux sur la molécule du canal. Tel canaux activés par un ligand sont divisés en deux sous-groupes, selon que leurs centres récepteurs sont intracellulaires ou extracellulaires. Les canaux activés par un ligand qui répondent aux stimuli extracellulaires sont également appelés récepteurs ionotropes. Ces canaux sont sensibles aux émetteurs et sont directement impliqués dans la transmission des informations dans les structures synaptiques. Les canaux activés par un ligand, activés du côté cytoplasmique, comprennent des canaux sensibles aux changements de concentration d'ions spécifiques. Par exemple, les canaux potassiques activés par le calcium sont activés par des augmentations locales de la concentration intracellulaire de calcium. De tels canaux jouent un rôle important dans la repolarisation de la membrane cellulaire lors de la terminaison d'un potentiel d'action. En plus des ions calcium, les représentants typiques des ligands intracellulaires sont les nucléotides cycliques. Le GMP cyclique, par exemple, est responsable de l'activation des canaux sodiques dans les bâtonnets rétiniens. Ce type de canal joue un rôle fondamental dans le fonctionnement de l'analyseur visuel. Un type distinct de modulation du fonctionnement des canaux par liaison d'un ligand intracellulaire est la phosphorylation/déphosphorylation de certaines sections de sa molécule protéique sous l'action d'enzymes intracellulaires - protéines kinases et protéines phosphatases.

La classification présentée des canaux par méthode d'activation est largement arbitraire. Certains canaux ioniques ne peuvent être activés que par quelques stimuli. Par exemple, les canaux potassiques activés par le calcium sont également sensibles aux changements de potentiel, et certains canaux ioniques activés par la tension sont sensibles aux ligands intracellulaires.

Le modèle de membrane excitable selon la théorie de Hodgkin-Huxley suppose le transport contrôlé des ions à travers la membrane. Cependant, la transition directe d’un ion à travers la bicouche lipidique est très difficile et le flux ionique serait donc faible.

Ceci et un certain nombre d'autres considérations ont donné des raisons de croire que la membrane devait contenir des structures spéciales - des ions conducteurs. De telles structures ont été découvertes et appelées canaux ioniques. Des canaux similaires ont été isolés de divers objets : la membrane plasmique des cellules, la membrane postsynaptique des cellules musculaires et d'autres objets. Des canaux ioniques formés par les antibiotiques sont également connus.

Propriétés de base des canaux ioniques :

1) sélectivité ;

2) indépendance de fonctionnement des chaînes individuelles ;

3) nature discrète de la conductivité ;

4) dépendance des paramètres du canal au potentiel de membrane.

Regardons-les dans l'ordre.

1. La sélectivité est la capacité des canaux ioniques à laisser passer sélectivement les ions d’un type donné.

Dès les premières expériences sur l’axone du calmar, il a été découvert que les ions Na+ et Kt avaient des effets différents sur le potentiel membranaire. Les ions K+ modifient le potentiel de repos et les ions Na+ modifient le potentiel d'action. Le modèle Hodgkin-Huxley décrit cela en introduisant des canaux ioniques potassium et sodium indépendants. On a supposé que les premiers laissaient passer uniquement les ions K+ et que les seconds ne laissaient passer que les ions Na+.

Les mesures ont montré que les canaux ioniques ont une sélectivité absolue envers les cations (canaux sélectifs pour les cations) ou les anions (canaux sélectifs pour les anions). Dans le même temps, divers cations de divers éléments chimiques peuvent passer à travers des canaux sélectifs pour les cations, mais la conductivité de la membrane pour l'ion mineur, et donc le courant qui la traverse, sera nettement inférieure, par exemple pour le canal Na + , le courant de potassium qui le traverse sera 20 fois moindre. La capacité d'un canal ionique à laisser passer différents ions est appelée sélectivité relative et est caractérisée par une série de sélectivité - le rapport des conductivités des canaux pour différents ions pris à la même concentration. Dans ce cas, pour l'ion principal, la sélectivité est prise égale à 1. Par exemple, pour le canal Na+ cette série a la forme :

Na+ : K+ = 1 : 0,05.

2. Indépendance du fonctionnement des chaînes individuelles. Le flux de courant à travers un canal ionique individuel est indépendant du fait que le courant passe par d'autres canaux. Par exemple, les canaux K + peuvent être activés ou désactivés, mais le courant traversant les canaux Na + ne change pas. L'influence des canaux les uns sur les autres se produit indirectement : une modification de la perméabilité de certains canaux (par exemple le sodium) modifie le potentiel membranaire, ce qui affecte déjà la conductivité d'autres canaux ioniques.

3. Caractère discret de la conductivité des canaux ioniques. Les canaux ioniques sont un complexe de sous-unités de protéines qui traversent la membrane. En son centre se trouve un tube à travers lequel peuvent passer les ions. Le nombre de canaux ioniques par 1 µm 2 de surface membranaire a été déterminé à l'aide d'un bloqueur de canaux sodiques radiomarqués - la tétrodotoxine. On sait qu’une molécule TTX se lie à un seul canal. Puis la mesure de la radioactivité d'un échantillon de surface connue a permis de montrer qu'il existe environ 500 canaux sodiques par 1 µm2 d'axone de calmar.

Les courants transmembranaires mesurés dans des expériences conventionnelles, par exemple sur un axone de calmar de 1 cm de long et 1 mm de diamètre, soit une superficie de 3 * 10 7 μm 2, sont dus à la réponse totale (changement de conductivité) de 500 3 10 7 -10 10 canaux ioniques. Cette réponse se caractérise par un changement progressif de la conductivité au fil du temps. La réponse d'un seul canal ionique change au fil du temps d'une manière fondamentalement différente : discrètement pour les canaux Na+, pour K+- et pour les canaux Ca 2+.

Cela a été découvert pour la première fois en 1962 dans des études sur la conductivité des membranes bicouches lipidiques (BLM) lorsque des microquantités d'une certaine substance induisant une excitation étaient ajoutées à la solution entourant la membrane. Une tension constante a été appliquée au BLM et le courant I (t) a été enregistré. Le courant était enregistré au fil du temps sous forme de sauts entre deux états conducteurs.

L'une des méthodes efficaces pour l'étude expérimentale des canaux ioniques était la méthode de fixation locale du potentiel membranaire (« Patch Clamp »), développée dans les années 80 (Fig. 10).

Riz. 10. Méthode de fixation locale du potentiel membranaire. ME - microélectrode, IR - canal ionique, M - membrane cellulaire, SFP - circuit à pince de potentiel, I - courant à canal unique

L'essence de la méthode est que la microélectrode ME (Fig. 10), avec une extrémité fine ayant un diamètre de 0,5 à 1 µm, est aspirée vers la membrane de sorte que le canal ionique pénètre dans son diamètre intérieur. Ensuite, à l'aide d'un circuit de serrage de potentiel, il est possible de mesurer des courants qui traversent uniquement un seul canal de la membrane, et non pas tous les canaux simultanément, comme cela se produit lors de l'utilisation de la méthode standard de serrage de potentiel.

Les résultats d'expériences réalisées sur différents canaux ioniques ont montré que la conductivité d'un canal ionique est discrète et qu'il peut être dans deux états : ouvert ou fermé. Les transitions entre états se produisent à des moments aléatoires et obéissent à des lois statistiques. On ne peut pas dire qu’un canal ionique donné s’ouvrira exactement à ce moment précis. Vous ne pouvez faire une déclaration que sur la probabilité d'ouvrir une chaîne dans un certain intervalle de temps.

4. Dépendance des paramètres du canal au potentiel de membrane. Les canaux ioniques des fibres nerveuses sont sensibles au potentiel membranaire, comme les canaux sodium et potassium de l'axone du calmar. Cela se manifeste par le fait qu'après le début de la dépolarisation membranaire, les courants correspondants commencent à changer avec l'une ou l'autre cinétique. Ce processus se déroule comme suit : Le canal sélectif d'ions possède un capteur - un élément de sa conception qui est sensible à l'action du champ électrique (Fig. 11). Lorsque le potentiel de la membrane change, l'ampleur de la force agissant sur elle change, en conséquence, cette partie du canal ionique se déplace et modifie la probabilité d'ouvrir ou de fermer la porte - une sorte d'amortisseur qui fonctionne selon le « tout ou rien »loi. Il a été démontré expérimentalement que sous l'influence de la dépolarisation membranaire, la probabilité que le canal sodium passe à l'état conducteur augmente. La surtension à travers la membrane créée lors des mesures de pince de potentiel provoque l'ouverture d'un grand nombre de canaux. Plus de charges les traversent, ce qui signifie, en moyenne, plus de courant circule. Il est important que le processus d'augmentation de la conductivité du canal soit déterminé par une augmentation de la probabilité que le canal passe à un état ouvert, et non par une augmentation du diamètre du canal ouvert. C’est la compréhension moderne du mécanisme de passage du courant à travers un seul canal.

Des courbes cinétiques lisses des courants enregistrées lors de mesures électriques sur de grandes membranes sont obtenues grâce à la somme de nombreux courants pas à pas circulant à travers des canaux individuels. Leur sommation, comme indiqué ci-dessus, réduit fortement les fluctuations et donne des dépendances temporelles assez douces du courant transmembranaire.

Les canaux ioniques peuvent également être sensibles à d’autres influences physiques : déformation mécanique, fixation de produits chimiques, etc. Dans ce cas, ils constituent respectivement la base structurelle des mécanorécepteurs, des chimio-récepteurs, etc.

L'étude des canaux ioniques dans les membranes est l'une des tâches importantes de la biophysique moderne.

Structure du canal ionique.

Le canal sélectif des ions est constitué des parties suivantes (Fig. 11) : immergé dans la bicouche de la partie protéique, qui a une structure sous-unitaire ; un filtre sélectif formé d'atomes d'oxygène chargés négativement, qui sont rigidement situés à une certaine distance les uns des autres et laissent passer les ions d'un certain diamètre ; partie du portail.

La grille du canal ionique est contrôlée par le potentiel de membrane et peut être soit dans un état fermé (ligne pointillée), soit dans un état ouvert (ligne continue). La position normale de la porte du canal sodium est fermée. Sous l'influence d'un champ électrique, la probabilité d'un état ouvert augmente, la grille s'ouvre et le flux d'ions hydratés peut traverser le filtre sélectif.

Si l’ion correspond au diamètre, il perd sa coquille d’hydratation et saute de l’autre côté du canal ionique. Si l’ion a un diamètre trop grand, comme le tétraéthylammonium, il ne peut pas passer à travers le filtre et ne peut pas traverser la membrane. Si, au contraire, l'ion est trop petit, alors il rencontre des difficultés dans le filtre sélectif, liées cette fois à la difficulté de se débarrasser de la coquille d'hydratation de l'ion.

Les bloqueurs de canaux ioniques ne peuvent pas le traverser et restent coincés dans le filtre ou, s'il s'agit de grosses molécules comme le TTX, ils correspondent stériquement à une entrée du canal. Étant donné que les bloqueurs portent une charge positive, leur partie chargée est attirée dans le canal vers le filtre sélectif comme un cation ordinaire et la macromolécule l'obstrue.

Ainsi, les modifications des propriétés électriques des biomembranes excitables sont réalisées à l'aide de canaux ioniques. Ce sont des macromolécules protéiques qui pénètrent dans la bicouche lipidique et peuvent exister dans plusieurs états distincts. Les propriétés des canaux sélectifs pour les ions K + , Na + et Ca 2+ peuvent dépendre différemment du potentiel membranaire, qui détermine la dynamique du potentiel d'action dans la membrane, ainsi que des différences de ces potentiels dans les membranes de différentes cellules. .

Riz. 11. Schéma transversal de la structure du canal ionique sodium de la membrane

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Pour diverses substances et notamment pour les ions minéraux, il est extrêmement important dans la vie de la cellule et notamment dans les mécanismes de perception, de transformation, de transmission des signaux de cellule à cellule et aux structures intracellulaires.

Le rôle déterminant dans l'état de perméabilité des membranes cellulaires est joué par leurs canaux ioniques, qui se forment protéines formant des canaux. L'ouverture et la fermeture de ces canaux peuvent être contrôlées par l'ampleur de la différence de potentiel entre les surfaces externe et interne de la membrane, diverses molécules de signalisation (hormones, neurotransmetteurs, substances vasoactives), messagers secondaires de la transmission du signal intracellulaire et minéraux. ions.

Canal ionique- plusieurs sous-unités (protéines membranaires intégrales contenant des segments transmembranaires ayant chacune une configuration en hélice α) qui assurent le transport des ions à travers la membrane.

Riz. 1. Classification des canaux ioniques

La compréhension moderne de la structure et de la fonction des canaux ioniques est devenue possible grâce au développement de méthodes d'enregistrement des courants électriques circulant à travers une section isolée de la membrane contenant des canaux ioniques uniques, ainsi qu'à l'isolement et au clonage de gènes individuels qui contrôlent la synthèse de macromolécules protéiques capables de former des canaux ioniques. Cela a permis de modifier artificiellement la structure de ces molécules, de les intégrer dans les membranes cellulaires et d'étudier le rôle de régions peptidiques individuelles dans l'exécution des fonctions des canaux. Il s'est avéré que les molécules protéiques formant des canaux de tous les canaux ioniques ont des caractéristiques structurelles communes et sont généralement sont représentés par de grosses protéines transmembranaires avec des masses moléculaires supérieures à 250 kDa.

Ils sont constitués de plusieurs sous-unités. Généralement le plus important propriétés du canal leur une sous-unité. Cette sous-unité participe à la formation du trou sélectif des ions, le mécanisme capteur de la différence de potentiel transmembranaire - la porte du canal, et possède des sites de liaison pour les ligands exogènes et endogènes. D'autres sous-unités incluses dans la structure des canaux ioniques jouent un rôle auxiliaire, modulant les propriétés des canaux (Fig. 2).

La molécule protéique formant des canaux est représentée par des boucles d'acides aminés extramembranaires et des régions de domaines hélicoïdaux intramembranaires qui forment les sous-unités des canaux ioniques. La molécule protéique se replie dans le plan de la membrane de sorte que le canal ionique lui-même se forme entre les domaines en contact les uns avec les autres (voir Fig. 2, en bas à droite).

La molécule protéique formant un canal est située dans la membrane cytoplasmique de sorte que sa structure spatiale tridimensionnelle forme les embouchures du canal faisant face aux côtés externe et interne de la membrane, un pore rempli d'eau et une « porte ». Ces derniers sont formés par une section de la chaîne peptidique qui peut facilement changer de conformation et déterminer l'état ouvert ou fermé du canal. La sélectivité et la perméabilité du canal ionique dépendent de la taille du pore et de sa charge. La perméabilité d'un canal pour un ion donné est également déterminée par sa taille, sa charge et sa coque d'hydratation.

Riz. 2. Structure du canal ionique Na+ de la membrane cellulaire : a - structure bidimensionnelle de l'unité α du canal ionique de la membrane cellulaire ; b - à gauche - un canal sodique, constitué d'une sous-unité a et de deux sous-unités P (vue latérale) ; à droite se trouve le canal sodium en haut. En numéros I. II. III. Domaines marqués IV de la sous-unité a

Types de canaux ioniques

Plus de 100 types de canaux ioniques ont été décrits et diverses approches sont utilisées pour les classer. L'un d'eux repose sur la prise en compte des différences dans la structure des canaux et des mécanismes de fonctionnement. Dans ce cas, les canaux ioniques peuvent être divisés en plusieurs types :

• canaux ioniques passifs, ou canaux de repos ;
• canaux de contact à fente ;
• canaux dont l'état (ouvert ou fermé) est contrôlé par l'influence sur leur mécanisme de porte de facteurs mécaniques (canaux mécanosensibles), de différences de potentiel sur la membrane (canaux dépendants de la tension) ou de ligands qui se lient à la protéine formant le canal sur la face externe ou interne de la membrane (canaux dépendants du ligand).

Canaux passifs

Une particularité de ces canaux est qu'ils peuvent être ouverts (actifs) dans les cellules au repos, c'est-à-dire en l'absence de toute influence. Cela prédétermine leur deuxième nom - canaux passifs. Ils ne sont pas strictement sélectifs et à travers eux, la membrane cellulaire peut « fuir » plusieurs ions, par exemple K+ et CI+, K+ et Na+. C’est pourquoi ces canaux sont parfois appelés canaux de fuite. En raison des propriétés énumérées, les canaux au repos jouent un rôle important dans l'émergence et le maintien du potentiel membranaire au repos sur la membrane cytoplasmique de la cellule, dont les mécanismes et la signification sont discutés ci-dessous. Des canaux passifs sont présents dans les membranes cytoplasmiques des fibres nerveuses et de leurs terminaisons, les cellules striées, les muscles lisses, le myocarde et d'autres tissus.

Canaux mécanosensibles

L'état de perméabilité de ces canaux change sous l'influence mécanique de la membrane, provoquant une perturbation de l'emballage structurel des molécules dans la membrane et son étirement. Ces canaux sont largement représentés dans les mécanorécepteurs des vaisseaux sanguins, des organes internes, de la peau, des muscles striés et des myocytes lisses.

Canaux dépendants de la tension

L'état de ces canaux est contrôlé par les forces du champ électrique créé par l'ampleur de la différence de potentiel à travers la membrane. Les canaux dépendants de la tension peuvent être dans des états inactifs (fermés), actifs (ouverts) et inactivés, qui sont contrôlés par la position des portes d'activation et d'inactivation, en fonction de la différence de potentiel à travers la membrane.

Dans une cellule au repos, un canal dépendant de la tension est généralement dans un état fermé, à partir duquel il peut être ouvert ou activé. La probabilité de son ouverture indépendante est faible et, au repos, seul un petit nombre de ces canaux dans la membrane sont ouverts. Une diminution de la différence de potentiel transmembranaire (dépolarisation membranaire) provoque l'activation du canal, augmentant ainsi la probabilité de son ouverture. On suppose que la fonction de porte d'activation est assurée par un groupe d'acides aminés chargé électriquement qui ferme l'entrée de l'embouchure du canal. Ces acides aminés sont un capteur de différence de potentiel sur la membrane ; lorsqu'un certain niveau (critique) de dépolarisation membranaire est atteint, la partie chargée de la molécule capteur se déplace vers le microenvironnement lipidique de la molécule formant le canal et la porte ouvre l'entrée de l'embouchure du canal (Fig. 3).

Le canal devient ouvert (actif) pour que les ions puissent le traverser. La vitesse d'ouverture du portail d'activation peut être faible ou très élevée. Selon cet indicateur, les canaux ioniques voltage-dépendants sont divisés en rapides (par exemple, canaux sodium voltage-dépendants rapides) et lents (par exemple, canaux calciques voltage-dépendants lents). Les canaux rapides s'ouvrent instantanément (μs) et restent ouverts pendant 1 ms en moyenne. Leur activation s'accompagne d'une augmentation rapide, semblable à une avalanche, de la perméabilité du canal pour certains ions.

Une autre partie de la chaîne peptidique, qui est une séquence d'acides aminés sous la forme d'une boule dense (boule) sur un fil, située à la sortie de l'autre embouchure du canal, a la capacité de changer de conformation. Lorsque le signe de la charge sur la membrane change, la bille ferme la sortie de la bouche et le canal devient impénétrable (inactivé) pour l'ion. L'inactivation des canaux ioniques voltage-dépendants peut être réalisée par d'autres mécanismes. L'inactivation s'accompagne de l'arrêt du mouvement des ions à travers le canal et peut se produire aussi rapidement que l'activation, ou lentement - sur une période de quelques secondes, voire quelques minutes.

Riz. 3. Mécanisme de porte des canaux sodium (en haut) et potassium (en bas) dépendants du potentiel

Pour restaurer les propriétés originales des canaux ioniques après leur inactivation, il est nécessaire de restituer la conformation spatiale originale de la protéine formant le canal et la position de la porte. Ceci est réalisé en rétablissant la différence de potentiel membranaire (repolarisation) à un niveau caractéristique de l'état de repos de la cellule ou quelque temps après l'inactivation avec un fort effet sur la membrane. La transition de l'état d'inactivation à l'état d'origine (fermé) est appelée réactivation du canal. Une fois réactivé, le canal ionique revient à un état prêt à sa réouverture. La réactivation des canaux membranaires tension-dépendants peut également être rapide ou lente.

Les canaux ioniques voltage-dépendants sont généralement très sélectifs et jouent un rôle crucial dans l'apparition de l'excitation (génération de potentiels d'action), la transmission d'informations le long des fibres nerveuses sous forme de signaux électriques, ainsi que l'initiation et la régulation de la contraction musculaire. Ces canaux sont largement représentés dans les membranes des fibres nerveuses afférentes et efférentes, dans les membranes des myocytes striés et lisses.

Les canaux ioniques dépendant du potentiel sont intégrés dans la membrane des terminaisons nerveuses des nerfs sensoriels (dendrites) innervant la pulpe dentaire et la muqueuse buccale, où leur ouverture assure la conversion du potentiel récepteur en influx nerveux et sa transmission ultérieure le long du nerf afférent. fibre. À l'aide de ces impulsions, des informations sur tous les types de sensations sensorielles qu'une personne éprouve dans la cavité buccale (goût, température, pression mécanique, douleur) sont transmises au système nerveux central. De tels canaux assurent l'émergence de l'influx nerveux sur la membrane de la butte axonale des neurones et leur transmission le long des fibres nerveuses efférentes, la conversion des potentiels postsynaptiques en potentiels d'action des cellules effectrices postsynaptiques. Un exemple de tels processus est la génération d'influx nerveux dans les motoneurones du noyau du nerf trijumeau, qui sont ensuite transmis le long de ses fibres efférentes aux muscles masticateurs et assurent l'initiation et la régulation des mouvements de mastication de la mâchoire inférieure.

Lors de l'étude des mécanismes subtils du fonctionnement des canaux ioniques voltage-dépendants, il a été révélé qu'il existe des substances capables de bloquer le fonctionnement de ces canaux. L’une des premières à être décrite a été la substance tétrodotoxine, un puissant poison produit dans le corps du poisson-globe. Sous son influence, un blocage des canaux sodiques voltage-dépendants a été observé dans l'expérience, et lorsqu'il a été introduit dans le corps des animaux, une perte de sensibilité, un relâchement musculaire, une immobilité, un arrêt respiratoire et la mort ont été notés. Ces substances sont appelées bloqueurs de canaux ioniques. Parmi eux lidocaïne, novocaïne, procaïne - substances, lorsqu'elles sont introduites dans le corps à petites doses, un blocage des canaux sodiques dépendants de la tension des fibres nerveuses se développe et la transmission des signaux des récepteurs de la douleur au système nerveux central est bloquée. Ces substances sont largement utilisées dans la pratique médicale comme anesthésiques locaux.

Le mouvement des ions à travers les canaux ioniques est non seulement à la base de la redistribution des charges sur les membranes et de la formation de potentiels électriques, mais peut également influencer le déroulement de nombreux processus intracellulaires. Cet effet sur l'expression des gènes qui contrôlent la synthèse des protéines formant des canaux ne se limite pas aux cellules des tissus excitables, mais se produit dans toutes les cellules du corps. Un grand groupe de maladies a été identifié, dont la cause est une violation de la structure et de la fonction des canaux ioniques. Ces maladies sont classées comme « canalopathies ». Évidemment, la connaissance de la structure et des fonctions des canaux ioniques est nécessaire pour comprendre la nature des « canalopathies » et rechercher leur thérapie spécifique.

Canaux ioniques dépendants d'un ligand

Ils sont généralement formés de macromolécules protéiques qui peuvent simultanément servir de canaux ioniques et de fonctions de récepteur pour certains ligands. Étant donné qu'une même macromolécule peut remplir simultanément ces deux fonctions, des noms différents leur ont été attribués - par exemple, récepteur synaptique ou canal ligand-dépendant.

Contrairement à un canal ionique dépendant de la tension, qui s'ouvre lorsque la conformation de la porte d'activation change dans des conditions de diminution de la différence de potentiel transmembranaire, les canaux ioniques dépendants du ligand s'ouvrent (s'activent) lors de l'interaction de la chaîne peptidique (réceptrice) d'une protéine. molécule avec un ligand, substance pour laquelle le récepteur a une forte affinité ( Fig. 4).

Riz. 4. Canal ionique dépendant du ligand (récepteur de l'acétylcholine sensible à la nicotine - n-ChR) : a inactif ; 6 - activé

Les canaux ioniques ligand-dépendants sont généralement localisés dans les membranes postsynaptiques des cellules nerveuses et de leurs processus, ainsi que dans les fibres musculaires. Des exemples typiques de canaux ioniques dépendants d'un ligand sont les canaux membranaires postsynaptiques activés par l'acétylcholine (voir Fig. 4), le glutamate, l'aspartate, l'acide gamma-aminobutyrique, la glycine et d'autres neurotransmetteurs synaptiques. En règle générale, le nom du canal (récepteur) reflète le type de neurotransmetteur qui est son ligand dans des conditions naturelles. Ainsi, s'il s'agit de canaux de la synapse neuromusculaire dans lesquels le neurotransmetteur acétylcholine est utilisé, alors le terme « récepteur de l'acétylcholine » est utilisé, et s'il est également sensible à la nicotine, alors il est appelé sensible à la nicotine, ou simplement n-acétylcholine. récepteur (récepteur n-cholinergique).

En règle générale, les récepteurs post-synaptiques (canaux) se lient sélectivement à un seul type de neurotransmetteur. En fonction du type et des propriétés du récepteur et du neurotransmetteur en interaction, les canaux modifient sélectivement leur perméabilité aux ions minéraux, mais ce ne sont pas des canaux strictement sélectifs. Par exemple, les canaux dépendants du ligand peuvent modifier la perméabilité aux cations Na+ et K+ ou aux anions K+ et CI+. Cette sélectivité de liaison du ligand et les modifications de la perméabilité ionique sont génétiquement fixées dans la structure spatiale de la macromolécule.

Si l'interaction du médiateur et de la partie réceptrice de la macromolécule qui forme le canal ionique s'accompagne directement d'une modification de la perméabilité du canal, cela conduit en quelques millisecondes à une modification de la perméabilité de la membrane post-synaptique aux minéraux. ions et la valeur du potentiel postsynaptique. De tels canaux sont appelés rapides et sont localisés, par exemple, dans la membrane postsynaptique des synapses excitatrices axo-dendritiques et des synapses inhibitrices axosomatiques.

Il existe des canaux ioniques lents dépendants du ligand. Contrairement aux canaux rapides, leur ouverture n'est pas médiée par l'interaction directe du neurotransmetteur avec la macromolécule du récepteur, mais par une chaîne d'événements comprenant l'activation de la protéine G, son interaction avec le GTP, une augmentation du niveau de messagers secondaires dans la transmission intracellulaire. du signal du neurotransmetteur qui, en phosphorylant le canal ionique, entraîne une modification de sa perméabilité aux ions minéraux et une modification correspondante de la valeur du potentiel postsynaptique. L'ensemble de la chaîne d'événements décrite se déroule en centaines de millisecondes. Nous rencontrerons de tels canaux ioniques lents et dépendants du ligand lors de l'étude des mécanismes de régulation du cœur et des muscles lisses.

Un type particulier sont les canaux localisés dans les membranes du réticulum endoplasmique des cellules musculaires lisses. Leur ligand est le deuxième messager de la transduction du signal intracellulaire, l'inositol tri-phosphate-IFZ.

L'invention concerne des canaux ioniques caractérisés par certaines propriétés structurelles et fonctionnelles inhérentes aux canaux ioniques à la fois dépendants du potentiel et dépendants du ligand. Ce sont des canaux ioniques insensibles à la tension, dont l'état du mécanisme de porte est contrôlé par des nucléotides cycliques (AMPc et GMPc). Dans ce cas, les nucléotides cycliques se lient à la terminaison COOH intracellulaire de la molécule protéique formant un canal et activent le canal.

Ces canaux se caractérisent par une moindre sélectivité de perméabilité pour les cations et la capacité de ces derniers à influencer la perméabilité de chacun. Ainsi, les ions Ca 2+, entrant par les canaux activés depuis l'environnement extracellulaire, bloquent la perméabilité des canaux aux ions Na 2+. Un exemple de tels canaux sont les canaux ioniques en bâtonnets de la rétine, dont la perméabilité aux ions Ca 2+ et Na 2+ est déterminée par le niveau de GMPc.

Les canaux ioniques ligand-dépendants sont largement représentés dans les structures membranaires qui assurent la transmission synaptique des signaux provenant d'un certain nombre de récepteurs sensoriels du système nerveux central ; transmission de signaux au niveau des synapses du système nerveux ; transmission des signaux du système nerveux aux cellules effectrices.

Il a déjà été noté que la transmission directe des commandes du système nerveux à de nombreux organes effecteurs s'effectue à l'aide de neurotransmetteurs qui activent les canaux ioniques ligand-dépendants dans les membranes postsynaptiques. Cependant, leurs ligands (agonistes ou antagonistes) peuvent également être des substances de nature exogène, qui dans certains cas sont utilisées comme substances médicinales.

Par exemple, après l'introduction dans le corps de la substance diplacine, dont la structure est similaire à celle du neurotransmetteur apétylcholine, il y aura une ouverture prolongée des canaux ioniques dépendants du ligand au niveau des synapses neuromusculaires, qui cesseront de transmettre l'influx nerveux des fibres nerveuses aux muscles. . Les muscles squelettiques du corps se détendent, ce qui peut être nécessaire lors d'opérations chirurgicales complexes. La diplacine et d'autres substances qui peuvent modifier l'état des canaux ioniques dépendants du ligand et bloquer la transmission du signal au niveau des synapses neuromusculaires sont appelées relaxants musculaires.

Riz. 5. Canaux de jonction entre deux cellules étroitement en contact

Dans la pratique médicale, de nombreuses autres substances médicinales sont utilisées pour affecter l'état des canaux ioniques dépendants du ligand des cellules de divers tissus.

Canaux de jonction (étroits) entre les cellules

Des canaux de jonction lacunaire se forment dans la zone de contact entre deux cellules voisines très proches l'une de l'autre. Dans la membrane de chaque cellule en contact, six sous-unités protéiques, appelées connexines, forment une structure hexagonale, au centre de laquelle se forme un pore ou un canal ionique - un connexon (Fig. 5).

Une structure miroir se forme au point de contact dans la membrane d'une cellule adjacente et le canal ionique entre elles devient commun. Grâce à ces canaux ioniques, divers ions minéraux, notamment les ions Ca 2+, ainsi que des substances organiques de faible poids moléculaire, peuvent se déplacer d'une cellule à l'autre. Les canaux des jonctions lacunaires des cellules assurent le transfert d'informations entre les cellules du myocarde, des muscles lisses, de la rétine et du système nerveux.

Canaux sodiques

Les canaux sodiques dépendants de la tension et indépendants de la tension (dépendants du ligand, mécanosensibles, passifs, etc.) sont largement représentés dans les cellules de l'organisme.

Canaux sodium dépendants du potentiel

Ils sont constitués d'une sous-unité α, qui forme le canal, et de deux sous-unités β, qui modulent la perméabilité ionique et la cinétique d'inactivation des canaux sodiques (Fig. 6).

Riz. 6. Structure bidimensionnelle de la sous-unité α du canal sodium voltage-dépendant. Description dans le texte

Comme on peut le voir sur la Fig. 6, la sous-unité a est représentée par quatre domaines du même type, constitués de six segments transmembranaires hélicoïdaux reliés par des boucles d'acides aminés. Les boucles reliant les 5ème et 6ème segments entourent le pore du canal, et le 4ème segment contient des acides aminés chargés positivement, qui sont des capteurs de différence de potentiel sur la membrane et contrôlent la position du mécanisme de porte lors des changements de potentiel transmembranaire.

Dans les canaux sodiques voltage-dépendants, il existe deux mécanismes de porte, l'un d'eux - l'activation (avec la participation du 4ème segment) assure l'ouverture (activation) du canal lors de la dépolarisation membranaire, et le second (avec la participation de la boucle intracellulaire entre le 3ème et le 4ème domaines) - son inactivation lors de la recharge de la membrane. Étant donné que ces deux mécanismes modifient rapidement la position de la porte du canal, les canaux sodiques voltage-dépendants sont des canaux ioniques rapides et sont essentiels à la génération de potentiels d'action dans les tissus excitables et à leur conduction à travers les membranes des fibres nerveuses et musculaires.

Ces canaux sont localisés dans les membranes cytoplasmiques de la butte axonale des neurones, dans les dendrites et les axones, dans la membrane de la région périsynaptique de la synapse neuromusculaire, dans le sarcolemme des fibres des muscles striés et du myocarde contractile. La densité de distribution des canaux sodiques dans ces structures est différente. Dans les fibres nerveuses myélinisées, elles sont concentrées principalement dans la zone des nœuds de Ranvier, où leur densité atteint environ 10 000 canaux par micron carré de surface, et dans les fibres non myélinisées, les canaux sont répartis plus uniformément avec une densité d'environ 20 canaux par carré. micron de surface. Ces canaux sont pratiquement absents dans la structure des membranes du corps des cellules nerveuses, dans la membrane des terminaisons nerveuses qui forment directement les récepteurs sensoriels et dans les membranes postsynaptiques des cellules effectrices.

Parmi les canaux sodiques voltage-dépendants, on distingue déjà plus de neuf sous-types, différant par les propriétés des sous-unités α, ayant une affiliation tissulaire spécifique et différant par une sensibilité différente à l'action des bloqueurs. Par exemple, un sous-type de canal formé par une protéine formant des canaux, dont la synthèse est contrôlée par le gène SCN4A, est présent dans le sarcolemme des muscles squelettiques entièrement différenciés et innervés et ses bloqueurs sont la tétrodotoxine, la saxitoxine et les c-conotoxines. Dans la plupart des cas, les sous-unités α sont sensibles à l'action de la tétrodotoxine, qui, à des concentrations micromolaires, bloque les pores et donc l'entrée des canaux sodiques.

On sait que les toxines des canaux sodiques ralentissent leur inactivation. Par exemple, la toxine de l'anémone de mer (ATX) et la toxine a du scorpion (ScTX) provoquent un retard dans l'inactivation en se liant aux résidus d'acides aminés de la boucle S3-S4 du segment 4.

Substances appelées anesthésiques (novocaïne, dicaine, lidocaïne, sovcaïne, procaïne et etc.). L'anesthésie, lorsqu'ils bloquent les canaux sodiques, est obtenue en éliminant la possibilité de générer des influx nerveux dans les fibres nerveuses afférentes et en bloquant ainsi la transmission des signaux des récepteurs sensoriels de la douleur au système nerveux central.

Il a été découvert que des modifications dans la structure des canaux sodiques peuvent conduire au développement d'un certain nombre de maladies. Par exemple, une modification de la structure du canal contrôlé par le gène SCNlb conduit au développement de formes généralisées d'épilepsie et de convulsions avec augmentation de la température corporelle (convulsions fébriles).

De nombreux micro-organismes forment des toxines dans le corps humain, des substances qui bloquent les canaux ioniques dans les cellules affectées, ce qui peut s'accompagner d'un déséquilibre de l'équilibre ionique et de la mort cellulaire. D’autres micro-organismes, au contraire, utilisent leurs toxines (perforines) pour former des canaux ioniques dans la membrane cellulaire. En particulier, la toxine du bacille du charbon, qui provoque une infection particulièrement dangereuse chez l'homme, attaque la cellule et forme de nouveaux pores (canaux) dans sa membrane par lesquels d'autres toxines pénètrent dans la cellule. L'action de ces toxines provoque la mort des cellules attaquées et une mortalité élevée dans cette maladie. Les scientifiques ont synthétisé une substance β-cyclodextrine, dont la structure spatiale est proche de la forme du canal résultant. Cette substance bloque les canaux formés par la toxine du micro-organisme, empêche l'entrée des toxines dans les cellules et sauve de la mort les animaux expérimentaux infectés par le charbon.

Canaux sodium indépendants de la tension

Canaux sodiques dépendants du ligand. Leur structure générale et leurs propriétés sont discutées ci-dessus dans la description des canaux ioniques dépendants du ligand. Ce type de canaux sodiques est largement représenté dans l'organisme par les canaux sodiques du récepteur cholinergique sensible à la nicotine de la membrane postsynaptique de la synapse neuromusculaire, les synapses interneurones du système nerveux central et du système nerveux autonome (neurones préganglionnaires et ganglionnaires). Les canaux sodiques ligand-dépendants sont localisés dans les membranes postsynaptiques d'autres synapses excitatrices (glutamate et aspartatergiques) du système nerveux central. Ils jouent un rôle crucial dans la génération du potentiel post-synaptique excitateur au niveau des synapses et dans la transmission des signaux entre neurones et entre neurones et cellules effectrices.

Les canaux sodiques ligand-dépendants de la membrane postsynaptique ne sont pas strictement sélectifs et peuvent être perméables simultanément à plusieurs ions : sodium et potassium, sodium et calcium.

Canaux sodium indépendants de la tension contrôlés par des seconds messagers. L'état de ces canaux sodiques peut être contrôlé par le GMPc (photorécepteurs), l'AMPc (récepteurs olfactifs) et par les sous-unités de la protéine G (myocarde).

Canaux sodiques mécanosensibles. Présent dans les mécanorécepteurs des parois des vaisseaux sanguins, du cœur, des organes internes creux, des propriocepteurs des muscles striés et de la membrane des myocytes lisses. Avec leur participation aux récepteurs sensoriels, l'énergie de l'action mécanique est convertie en une oscillation de la différence de potentiel - le potentiel du récepteur.

Cordes de sodium passives. Contenu dans les membranes cytoplasmiques des cellules excitables. La perméabilité de ces canaux aux ions Na+ est faible, mais à travers eux, les ions Na diffusent selon un gradient de concentration depuis les espaces extracellulaires vers les cellules et dépolarisent quelque peu la membrane. Les canaux sodiques de la membrane cytoplasmique des myocytes lisses sont plus perméables. Ils la dépolarisent davantage (potentiel de repos d'environ 50 mV) que la membrane des myocytes des muscles striés (potentiel de repos d'environ 90 mV). Ainsi, les canaux sodiques passifs sont impliqués dans la formation du potentiel membranaire au repos.

Échangeurs de sodium. L'échangeur sodium-calcium, ou échangeur sodium-calcium, a été décrit précédemment et joue un rôle important dans l'élimination des ions calcium des cardiomyocytes contractiles.

Échangeur de protons sodium. Il s'agit d'un type spécial de protéine formant des canaux qui élimine les protons d'hydrogène des espaces intracellulaires en échange de l'entrée d'ions sodium dans la cellule. L'élimination des protons est activée lorsque le pH de la cellule diminue.

La synthèse des protéines qui forment les canaux d'échange de sodium est contrôlée par cinq gènes, désignés NAH1 -NAH5.

Canaux potassiques

Il existe des canaux potassiques dépendants du potentiel et insensibles au potentiel. Parmi ces derniers, on distingue les canaux potassiques passifs, dépendants du ligand et autres. En règle générale, les canaux potassiques se trouvent dans les membranes des mêmes cellules et tissus qui contiennent des canaux sodiques. L'une des raisons d'un tel parallélisme dans la disposition de ces canaux ioniques est que les ions Na+ et K+ sont les cations les plus importants, dont la nature de la distribution et du mouvement détermine l'émergence et la modification des potentiels électriques comme l'une des formes les plus importantes. de transmission du signal d’information dans le corps.

Il existe toute une superfamille de canaux ioniques potassium, qui sont divisés selon les caractéristiques structurelles, la localisation et les propriétés des canaux en familles, types et sous-types distincts. Plus de trois douzaines de canaux potassiques ont été décrits et il n'est pas possible de donner leurs caractéristiques détaillées. Par conséquent, à titre d'exemples, des descriptions de ces familles et types de canaux ioniques qui sont principalement liés aux voies de signalisation et aux mécanismes de contrôle des processus nerveux et musculaires seront données.

Canaux potassiques passifs

On sait qu'à l'état de repos, les membranes des cellules excitables sont relativement perméables aux ions K et peu perméables aux ions Na+. Puisque les porteurs de courants électriques transmembranaires sont des ions, en mesurant le courant électrique circulant à travers la membrane cellulaire, on peut juger de l'état des canaux ioniques. Il s'est avéré que le courant électrique transmembranaire, provoqué par la diffusion des ions K le long du gradient de concentration depuis la cellule, est d'environ deux picoampères et a un caractère pulsé, et la durée moyenne de la pulsation est de plusieurs millisecondes. De cette observation, il a été conclu que les canaux potassiques dans une cellule au repos peuvent s'ouvrir et se fermer spontanément, fournissant ainsi les conditions nécessaires à la diffusion des ions K à travers eux depuis la cellule et à la formation d'un potentiel de repos sur la membrane.

Canaux potassiques dépendants du potentiel

L'existence de canaux potassiques tension-dépendants dans les membranes cellulaires des tissus excitables est devenue connue après avoir découvert que leur cinétique d'activation diffère de celle des canaux sodiques tension-dépendants et, de plus, qu'ils sont bloqués sélectivement par d'autres bloqueurs. Les canaux potassiques sont activés de la même manière que les canaux sodiques, lorsque la membrane cellulaire est dépolarisée à un niveau critique, mais en même temps, le taux de sortie des ions K+ de la cellule augmente beaucoup plus lentement que le taux d'entrée de Na+. ions dans la cellule.

Le filtre sélectif des canaux potassiques est situé à l'intérieur de l'embouchure des pores, contrairement à l'emplacement externe d'un filtre similaire dans les canaux sodiques (Fig. 7). L'existence d'une sélectivité de ces canaux vis-à-vis des cations Na+ et K+ et de divers bloqueurs spécifiques - tétrodotoxine (pour le sodium) et tétraéthylammonium (pour le potassium) - indique la structure différente de ces canaux.

Les canaux potassiques voltage-dépendants sont des tétramères et se composent de quatre sous-unités formant un pore au centre.

Les canaux potassiques voltage-dépendants sont localisés dans les membranes des cellules excitables et non excitables. Ils jouent un rôle important dans le taux de récupération (repolarisation) du potentiel membranaire après sa dépolarisation et, ainsi, dans le contrôle de la forme et de la fréquence de génération des potentiels d'action. Les canaux potassiques lents sont bloqués par le traéthylammonium, la 4-aminopyridine, la phencyclidine et la 9-aminoacridine.

Riz. 7. Canal potassique : a - gauche - structure bidimensionnelle de la sous-unité a ; à droite, un schéma du canal ; b — diagramme de diffraction électronique des canaux potassiques dans la membrane cytoplasmique.

En plus des canaux potassiques lents, des canaux potassiques rapides voltage-dépendants ont été décrits, dont la cinétique d'ouverture est similaire à celle des canaux sodium rapides voltage-dépendants. Ces canaux potassiques s'ouvrent rapidement lors de la dépolarisation, puis sont complètement inactivés, et leur réactivation nécessite non seulement une repolarisation de la membrane, mais aussi une hyperpolarisation pendant un certain temps.

Conformément aux noms des gènes codant pour la synthèse et l'assemblage de molécules formant des canaux, on distingue six types KCN avec les sous-types KCN A, B, C, E et une famille de canaux ioniques KCNQ. Les canaux de cette dernière famille sont exprimés dans le myocarde.

Canaux potassiques dépendants du ligand

Ils sont représentés par un grand nombre de canaux sensibles à l'action de différents ligands.

Un type de nombreux canaux potassiques dépendants du ligand est le canal associé au récepteur de l'acétylcholine sensible à la muscarine. Ces canaux sont activés par l'acétylcholine. Les canaux peuvent être bloqués par les ions bradykinine et baryum. Il existe deux sous-types de ces canaux : ceux inactivés par la muscarine et ceux activés par celle-ci. Cette dernière est localisée dans les cellules stimulateurs cardiaques du cœur.

Les propriétés d'un canal potassique dépendant du ligand sont possédées par des canaux cationiques non sélectifs et indépendants de la tension qui combinent les caractéristiques des canaux et des récepteurs de l'acétylcholine sensibles à la nicotine de la membrane postsynaptique de la synapse neuromusculaire. Lorsque la protéine formant un canal interagit avec l'acétylcholine, ce canal non sélectif s'ouvre, par lequel les ions Na+ entrent dans la cellule musculaire et les ions K en sortent. Les différentes vitesses de mouvement de ces ions assurent l'apparition d'une dépolarisation de la membrane postsynaptique, qui ne se développe pas en potentiel d'action directement sur cette membrane.

Des canaux potassiques sensibles à l'ATP, inhibés et activés par l'action de l'ATP, ont été identifiés.

Une famille distincte de canaux potassiques comprend ce que l'on appelle les canaux potassiques de rectification d'entrée (portes) ou redresseurs d'entrée. (vers l'intérieurrectifier; vers l'intérieurredresseur). Il n’y a pas de capteur de tension dans le mécanisme de déclenchement du canal potassique redresseur. L'importance fonctionnelle de ces canaux réside dans leur influence sur l'excitabilité des cellules stimulateurs cardiaques, des cellules musculaires et des neurones.

La famille des canaux potassiques entrants rectifiants, selon les noms des gènes qui les codent, est divisée en plus de 15 types. Un exemple de l'importance spécifique de la rectification des canaux potassiques d'entrée et, en particulier, des canaux KCNJ 3, 5, 6 et 9 (une autre désignation des canaux Kir) peut être leur rôle spécifique dans la régulation de la fréquence cardiaque par l'association de ces canaux avec G. récepteurs cellulaires de l'acétylcholine sensibles aux protéines et à la muscarine - stimulateurs cardiaques.

Des canaux potassiques activés par le sodium, insensibles au voltage, sont connus.

Des canaux potassiques spéciaux insensibles au voltage, sensibles aux changements de pH, sont décrits, qui sont présents dans les cellules β des îlots pancréatiques et y agissent comme un capteur de glucose. Les canaux potassiques sont également connus pour être sensibles aux changements de volume cellulaire.

Canaux calciques

La famille des canaux calciques est largement représentée dans les cellules des tissus nerveux et musculaires. Les principaux lieux de localisation sont les membranes des terminaisons présynaptiques du réticulum sarcoplasmique et endoplasmique des muscles, le sarcolemme des cardiomyocytes et les membranes des cellules d'autres tissus.

Sur la base des méthodes de contrôle de la perméabilité, les canaux calciques sont divisés en dépendants de la tension, passifs, dépendants du ligand, mécanosensibles, etc.

Les canaux calciques sont divisés selon le taux d'inactivation en canaux de type T ( transitoire- transitoire), type L (lent). En fonction de l'affiliation tissulaire et de la sensibilité aux toxines, on distingue des canaux de type B (cerveau- cerveau), type N (neuronal- neuronal), type P (purkinjecellule- Cellule de Purkinje) et de type R (résistant aux toxines).

Canaux calciques voltage-dépendants

Ils sont formés par une protéine oligomère, généralement constituée de cinq sous-unités a1, a2, β, y et δ. Le canal ionique lui-même est formé par la sous-unité α, qui présente un degré élevé de similitude dans la composition et la structure des acides aminés avec une sous-unité similaire de canaux sodiques et potassiques voltage-dépendants (voir Fig. 6, Fig. 7).

Le canal calcique voltage-dépendant est sélectivement perméable aux ions Ca 2+. La sélectivité est assurée par la présence d'un pore qui forme un filtre sélectif.

C'est l'heure formé par des segments de la sous-unité a 1, par conséquent, étant donné la similitude de sa structure avec celle des canaux cationiques monovalents, on pourrait s'attendre à ce que le canal calcique soit perméable aux ions Na+ et K+. Cette propriété se produit en réalité lorsque le calcium est éliminé de l’environnement extracellulaire.

En conditions naturelles, la sélectivité envers le calcium est assurée dans le canal par la présence de deux sites de liaison du calcium dans le pore du canal. L'un d'eux est formé par un groupe de résidus glutamate et, à une faible concentration de calcium, il se lie fortement à cette zone du pore du canal et le canal au calcium devient faiblement perméable. À mesure que la concentration de calcium augmente, la probabilité que le calcium occupe un deuxième site de liaison augmente ; les forces de répulsion électrostatiques résultantes entre les ions Ca 2+ réduisent considérablement le temps de séjour des ions sur les sites de liaison. Le calcium libéré se diffuse à travers le canal activé dans la cellule selon un gradient électrochimique.

Les canaux calciques voltage-dépendants diffèrent par les valeurs seuils des changements de différence de potentiel auxquels ils sont activés. Les canaux de type T sont activés par de petits décalages de tension sur la membrane, les types L et P sont caractérisés par des seuils de décalage de tension élevés qui provoquent leur activation.

Les canaux calciques voltage-dépendants jouent un rôle important dans un certain nombre de processus vitaux du corps. Leur activation et l'entrée du calcium dans la terminaison présynaptique sont nécessaires à la transmission du signal synaptique.

L'entrée du calcium par les canaux calciques dans la cellule stimulateur cardiaque est nécessaire pour générer des potentiels d'action dans les cellules stimulateurs cardiaques du cœur et assurer sa contraction rythmique. Les canaux calciques dépendants de la tension régulent le flux de calcium dans le sarcoplasme des fibres du myocarde, des muscles squelettiques, des myocytes lisses des vaisseaux sanguins et des organes internes, contrôlant l'initiation, la vitesse, la force, la durée de leur contraction et donc le mouvement, la fonction de pompage du cœur, tension artérielle, respiration et de nombreux autres processus du corps.

Canaux calciques passifs

Trouvé dans les membranes cytoplasmiques des myocytes lisses. Ils sont perméables au calcium au repos, et le calcium, avec les ions K+ et Na+, participe à la création de la différence de potentiel transmembranaire ou potentiel de repos des myocytes lisses. Le calcium pénétrant dans le myocyte lisse par ces canaux est une source de reconstitution de ses réserves dans le réticulum endoplasmique et est utilisé comme messager secondaire dans la transmission des signaux intracellulaires.

Le calcium au repos peut se déplacer de cellule en cellule via les canaux de jonction lacunaire. Ces canaux ne sont pas sélectifs pour le calcium et des échanges intercellulaires d'autres ions et substances organiques de faible poids moléculaire peuvent se produire simultanément à travers eux. Le calcium entrant dans les cellules par les canaux de jonction lacunaire joue un rôle important dans l'apparition de l'excitation, l'initiation et la synchronisation des contractions du myocarde, de l'utérus, des sphincters des organes internes et dans le maintien du tonus vasculaire.

Canaux calciques dépendants du ligand

Lors de l'étude des mécanismes de déclenchement et de régulation des contractions du myocarde et des muscles lisses, il s'est avéré qu'elles dépendent de l'apport de calcium au myocyte à la fois à partir de l'environnement extracellulaire et de ses réserves intracellulaires. Dans ce cas, l'entrée du calcium dans le sarcoplasme peut être contrôlée par une modification de la différence de potentiel sur le sarcolemme et l'activation de canaux calciques dépendants du potentiel et (ou) l'action d'un certain nombre de molécules de signalisation sur la membrane du réticulum sarcoplasmique. .

Les canaux calciques ligand-dépendants sont localisés dans les membranes cytoplasmiques des myocytes lisses. Les ligands de leurs récepteurs peuvent être des hormones : vasopressine, ocytocine, adrénaline ; le neurotransmetteur norépinéphrine; molécules de signalisation : angiotensine 2, endothélium 1 et autres substances. La liaison du ligand au récepteur s'accompagne de l'activation du canal calcique et de l'entrée de calcium dans la cellule depuis l'environnement extracellulaire.

Dans les cardiomyocytes, pour initier la contraction musculaire, il faut d'abord activer les canaux calciques voltage-dépendants de type T, puis de type L, dont l'ouverture assure l'entrée d'une certaine quantité d'ions Ca 2+ dans la cellule . Le calcium entrant dans la cellule active le récepteur de la ryanodine (RYR), une protéine formant des canaux intégrée dans la membrane du réticulum sarcoplasmique du cardiomyocyte. Suite à l'activation du canal, sa perméabilité au calcium augmente et celui-ci se diffuse dans le sarcoplasme selon le gradient de concentration. Ainsi, les ions Ca 2+ agissent comme une sorte de ligands qui activent les récepteurs de la ryanodine et donc les canaux calciques. En conséquence, le calcium extracellulaire entrant dans la cellule agit comme un déclencheur de la libération du calcium de son principal stockage intracellulaire.

Les canaux calciques peuvent être simultanément sensibles aux changements de différences de potentiel à travers la membrane cytoplasmique et à l'action des ligands. Par exemple, les canaux calciques voltage-dépendants de type L sont sensibles à la dihydropyridine (nifédipine), aux phénylalkylamines (vérapamil) et aux benzothiazépines (diltiazem). Ce type de canal est souvent appelé récepteur de la dihydropyridine. Ce nom suggère que le canal L-calcium est dépendant du ligand, bien qu'en réalité il s'agisse d'un canal dépendant du potentiel.

Les canaux de type P résistent à l'action des conogoxines et des médicaments auxquels d'autres types de canaux calciques sont sensibles.

Les propriétés fonctionnelles des sous-unités α1 des canaux calciques voltage-dépendants peuvent être modulées par leur phosphorylation, et ainsi l'état de perméabilité ionique des canaux calciques, par exemple dans le myocarde, peut être régulé.

Un type particulier de canaux ioniques calciques ligand-dépendants sont des canaux localisés dans les membranes du réticulum endoplasmique des cellules musculaires lisses, dont l'état de perméabilité est contrôlé par le niveau intracellulaire du messager secondaire, IPG. En utilisant ces canaux comme exemple, nous rencontrons un cas où une molécule-agoniste de signalisation extracellulaire, activant le récepteur de la membrane plasmique de la cellule musculaire lisse cible, active la voie de l'inositol phosphate de transmission du signal intracellulaire, qui à son tour, à travers le L'action de l'IPE active la prochaine protéine formant un canal dans la membrane de l'organite cellulaire. Toute cette chaîne d'événements de transmission de signaux se termine par la libération d'ions Ca 2+ des réserves intracellulaires, qui déclenchent et contrôlent le mécanisme moléculaire de contraction des cellules musculaires lisses.

Canaux calciques mécanosensibles

Ils sont localisés dans la membrane plasmique des myocytes lisses des parois des vaisseaux sanguins, de la myoite des organes internes, de l'endothélium vasculaire et de l'épithélium bronchique. Ces canaux peuvent être associés à des mécanorécepteurs glycoprotéiques. En réponse à un stress mécanique (par exemple, étirement de la paroi vasculaire par la pression artérielle), la perméabilité aux ions Ca 2+ augmente. Les canaux mécanosensibles n'ont pas une grande sélectivité et modifient simultanément leur perméabilité pour un certain nombre de cations. L'entrée de calcium et de sodium dans une cellule musculaire lisse provoque une dépolarisation de sa membrane, l'ouverture de canaux calciques voltage-dépendants, une augmentation de l'entrée de calcium et une contraction du myocyte lisse.

Ces événements font partie du mécanisme d'adaptation du tonus vasculaire et de régulation du flux sanguin aux valeurs changeantes de la pression artérielle dans le vaisseau et de la vitesse du flux sanguin (régulation myogénique). De plus, les canaux calciques mécanosensibles sont impliqués dans la mise en œuvre de mécanismes de stress-relaxation vasculaire lors d'augmentations prolongées de la pression artérielle.

Canaux de chlore

Les canaux chlorure sont présents dans les membranes plasmiques de la plupart des cellules. Ils jouent un rôle important dans le maintien de la différence de potentiel transmembranaire dans une cellule au repos et dans leurs déplacements lorsque l'activité fonctionnelle des cellules change. Les canaux chlorure sont impliqués dans la régulation du volume cellulaire, le transport transépithélial de substances et la sécrétion de fluides par les cellules sécrétoires.

Conformément aux mécanismes d'activation, trois superfamilles de canaux chlore sont distinguées : les canaux chlore voltage-dépendants, ligand-dépendants et autres canaux chlore insensibles au voltage.

Canaux de chlore potentiellement dépendants. Localisé dans les membranes des cellules excitables et épithéliales. L'état de perméabilité de ces canaux est contrôlé par l'ampleur de la différence de potentiel transmembranaire.

La perméabilité dépendante potentielle des canaux chlorure varie selon les tissus. Ainsi, dans la membrane axonale, la dépendance de la perméabilité des canaux chlore à la différence de potentiel est insignifiante et n'affecte pas de manière significative la modification de l'ampleur du potentiel d'action lors de l'excitation, et dans les muscles squelettiques, cette dépendance de la perméabilité des canaux chlore est plus élevé.

Le canal CLC1 est un représentant typique des canaux chlorure de la fibre musculaire sarcolemme du muscle squelettique. Le canal présente une perméabilité sur toute la plage de changements de tension transmembranaire à l'état de repos, est activé lors de la dépolarisation et inactivé lors de l'hyperpolarisation membranaire.

Canaux chlorure dépendants du ligand. Principalement exprimé dans le tissu nerveux. L'état de perméabilité de ces canaux chlorure est contrôlé principalement par des ligands extracellulaires, mais ils peuvent être sensibles aux concentrations intracellulaires de calcium et activés par les protéines G et l'AMPc. Les canaux de ce type sont largement distribués dans les membranes postsynaptiques et sont utilisés pour réaliser l'inhibition postsynaptique. L'état de perméabilité des canaux est contrôlé en activant les canaux avec des ligands, des neurotransmetteurs inhibiteurs (acide γ-aminobutyrique et glycine).

Canaux de chlore insensibles à la tension. Comprend des canaux chlorure passifs, des canaux sensibles à l'ATP et un régulateur de conductance transmembranaire de fibrose interstitielle (cystiquefibrosetransmembranaireconductancerégulateur- CFTR).

CFTR se compose apparemment du canal chlore lui-même et d'un canal régulateur représenté par un domaine régulateur spécial (domaine P). La régulation de la conductance ionique de ces canaux est réalisée par phosphorylation du domaine régulateur par la protéine kinase AMPc-dépendante. La violation de la structure et de la fonction de ce canal conduit au développement d'une maladie grave accompagnée d'un dysfonctionnement de nombreux tissus - la fibrose interstitielle.

Aquaporines

Aquaporines(de lat. aqua- eau, grec poreux- canal, pore) - protéines qui forment des canaux d'eau et assurent le transfert transmembranaire de l'eau. Les aquaporines sont des protéines membranaires tétramères intégrales, dont le monomère a une masse d'environ 30 kDa. Ainsi, chaque aquaporine forme quatre canaux d'eau (Fig. 8).

Une particularité de ces canaux est que les molécules d'eau qu'ils contiennent peuvent se déplacer dans des conditions isosmotiques, c'est-à-dire lorsqu'ils ne sont pas affectés par les forces du gradient osmotique. L'abréviation AQP est utilisée pour désigner les aquaporines. Un certain nombre de types d'aquaporines ont été isolés et décrits : AQP1 - dans les membranes épithéliales des tubules rénaux proximaux, la branche descendante de l'anse de Henle ; dans les membranes de l'endothélium et les myocytes lisses des vaisseaux sanguins, dans les structures du corps vitré ; AQP2 - dans les membranes de l'épithélium des canaux collecteurs. Cette aquaporine s'est révélée sensible à l'action de l'hormone antidiurétique et, sur cette base, elle peut être considérée comme un canal hydrique dépendant du ligand. L'expression du gène qui contrôle la synthèse de cette aquaporine est régulée par l'hormone antidiurétique ; AQP3 se trouve dans les membranes des cellules cornéennes ; AQP4 - dans les cellules cérébrales.

Riz. 8. Structure du canal hydrique AQP1 : a - chaînes peptidiques formant le canal ; b — canal assemblé : A, B, C, D, E — sections de la chaîne protéique

Il s’est avéré que AQP1 et AQP4 jouent un rôle important dans la formation et la circulation du liquide céphalo-rachidien. Les aquaporines se trouvent dans l'épithélium du tractus gastro-intestinal : AQP4 - dans l'estomac et l'intestin grêle ; AQP5 - dans les glandes salivaires ; AQP6 - dans l'intestin grêle et le pancréas ; AQP7 - dans l'intestin grêle ; AQP8, AQP9 - dans le foie. Certaines aquaporines transportent non seulement des molécules d'eau, mais aussi des substances organiques qui y sont solubles (oxygène, glycérol, urée). Ainsi, les aquaporines jouent un rôle important dans le métabolisme de l'eau dans l'organisme, et la perturbation de leur fonction peut être l'une des raisons de la formation d'œdèmes cérébraux et pulmonaires et du développement d'une insuffisance rénale et cardiaque.

La connaissance des mécanismes de transport des ions à travers les membranes et des méthodes permettant d'influencer ce transport est une condition indispensable non seulement pour comprendre les mécanismes de régulation des fonctions vitales, mais aussi pour le bon choix de médicaments dans le traitement d'un grand nombre de maladies (hypertension , asthme bronchique, arythmies cardiaques, troubles des échanges eau-sel, etc.).

Pour comprendre les mécanismes de régulation des processus physiologiques dans le corps, il est nécessaire de connaître non seulement la structure et la perméabilité des membranes cellulaires à diverses substances, mais également la structure et la perméabilité de formations structurelles plus complexes situées entre le sang et les tissus de divers organes.

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